В 1979 году он получил роль в фильме Майкла Чимино «Врата рая», однако был уволен с проекта. С тех пор он сотрудничал с режиссерами, которые составляют настоящую энциклопедию современного кино: Джеймс Ван, Кеннет Брана, Кэтрин Бигелоу, Сэм Рэйми, Алан Паркер, Уолтер Хилл, Мэри Хэррон, Вим Вендерс, Антон Корбайн, Чжан Имоу, Мартин Скорсезе, Дэвид Линч, Уильям Фридкин, Вернер Херцог, Ларс фон Триер, Спайк Ли, Дэвид Кроненберг, Скотт Купер, Энтони Мингелла, Роберт Родригес, Филлип Нойс, Эктор Бабенко, Зак Снайдер и Ди Рис.
Дефо был удостоен четырех номинаций на премию «Оскар»®: «Лучший актер второго плана» за фильмы «Взвод» Оливера Стоуна, «Тень вампира» Элиаса Мериджа (за который он также получил номинации на «Золотой глобус» и премию Гильдии киноактеров), «Проект Флорида» Шона Бейкера (также номинации «Золотой глобус» и премию Гильдии киноактеров), и «Лучший ведущий актер» за фильм «Ван Гог. На пороге вечности» Джулиана Шнабеля (также номинация на «Золотой глобус»). Кроме того, он был отмечен наградами Нью-Йоркского общества кинокритиков и Национального совета кинокритиков, а также дважды награжден Ассоциацией кинокритиков Лос-Анджелеса. Помимо этого, он является обладателем двух премий «Independent Spirit Awards», «Кубка «Вольпи» Венецианского кинофестиваля и почетного «Золотого медведя» Берлинале за выдающиеся достижения.
Вместе со своей женой, режиссером Джадой Колагранде, Уиллем снял три фильма: «Отец», «Женщина» и «Черная вдова».
Его природный авантюризм проявился в таких разных ролях, как Томас Уэйк в «Маяке» Роберта Эггерса, Маркус, элитный убийца, наставник Киану Ривза в нео-нуаре «Джон Уик», в озвучивании мавританского идола Гила в «В поисках Немо», в роли известного режиссера в фильме Абеля Феррары «Пазолини», в роли Пола Смекера, одержимого агента ФБР в культовом классическом фильме «Святые из Бундока» и в роли реального героя - Леонарда Сеппалы, гонщика на собачьих упряжках, возглавившего в 1925 году «Великую гонку милосердия» на Аляску. Этот дух авантюризма заметен и в других фильмах, среди которых «Французский Вестник» Уэса Андерсона, «Сибирь» Абеля Феррары, «Холодный расчет» Пола Шрейдера, «Северянин» Роберта Эггерса и «Аллея кошмаров» Гильермо Дель Торо.
Дэфо - один из основателей нью-йоркского экспериментального театрального коллектива «The Wooster Group». Он создавал и играл во всех спектаклях группы с 1977 по 2005 год, как в США, так и на международном уровне. Он сотрудничал с Ричардом Форманом в спектакле «Idiot Savant» в нью-йоркском Public Theatre, с Робертом Уилсоном в двух международных постановках - «Жизнь и смерть Марины Абрамович» и «Старуха» (с Михаилом Барышниковым), а также работал над театральной пьесой Ромео Кастеллуччи по мотивам романа Натаниэля Хоторна «The Minister's Black Veil». Недавно он завершил работу над оперным перформансом Марины Абрамович «7 смертей Марии Каллас».
