Seine Fernsehkarriere begann Willemsen 1991 beim Bezahlsender Premiere. Er moderierte mehr als 600 Ausgaben der Interviewreihe 0137, benannt nach der Telefonvorwahl, unter der sich Zuschauer an der Live-Sendung beteiligen konnten. Das Themenspektrum des Magazins reichte von Politik bis Boulevard. Er führte Gespräche unter anderem mit der Schauspielerin Audrey Hepburn, mit Gefangenen aus der Rote Armee Fraktion, Jassir Arafat, einem Kannibalen und einem entflohenen Bankräuber. Selbst die Vergewaltigung eines jungen Mannes durch dessen Mutter war für Willemsen kein Tabuthema. 1992 wurde er von einer unabhängigen Kritiker-Jury mit dem „Goldenen Kabel“ für die innovativste Sendung und mit dem Bayerischen Fernsehpreis ausgezeichnet. Ab 1992 moderierte Willemsen die Sendung im wöchentlichen Wechsel mit Sandra Maischberger. Die beiden Moderatoren hatten damals etwa anderthalb Jahre lang eine private Beziehung.[5]

1993 erhielt Willemsen den Adolf-Grimme-Preis mit Gold für die Sendereihe. Man würdigte damit sein hohes Einfühlungsvermögen und die Tatsache, dass er – wie der Leiter des Adolf-Grimme-Instituts in Marl, Lutz Hachmeister, anmerkte – als einer von wenigen im deutschen Fernsehen grammatikalisch korrekte Satzperioden sprechen könne.

Im Februar 1994 wechselte er zum ZDF. Dort moderierte er von Oktober 1994 bis Juni 1998 die 60-minütige Talkshow Willemsens Woche. Regelmäßiger musikalischer Gast war der mit Willemsen befreundete Jazzmusiker Michel Petrucciani.

1996 präsentierte Willemsen im ZDF eine neunteilige Porträt-Reihe unter dem Titel Willemsens Zeitgenossen. Darin stellte er unter anderem Vivienne Westwood, Quincy Jones, Philippe Starck und John Malkovich vor.
Roger Willemsen, 2008

Ab 1999 moderierte er zahlreiche Kulturveranstaltungen, darunter die Echo Klassik-Gala und die Hommage Und der Haifisch, der hat Zähne zum 100. Geburtstag von Bertolt Brecht. Außerdem interviewte er für das ZDF-Format Willemsens Musikszene unter anderem Pierre Boulez, Herbie Hancock und Chick Corea.

In der Sendereihe Gipfeltreffen inszenierte Willemsen filmische Doppelportraits prominenter Zeitgenossen, in der Nachtkultur mit Willemsen diskutierte er mit jeweils drei bis vier Gästen aktuelle Themen aus Kunst und Kultur.

Neben seiner Tätigkeit vor der Kamera führte Willemsen unter anderem Regie beim Dokumentarfilm Non Stop – Eine Reise mit Michel Petrucciani, der mittlerweile in 13 weiteren Ländern ausgestrahlt wurde. Auf der EXPO 2000 präsentierte er eine zehnstündige Videoinstallation aus Gesprächen mit 55 Künstlern unter dem Titel Welcome Home. Künstler sehen Deutschland.

Nach rund zweijähriger Pause als Fernsehmoderator moderierte er vom 3. Februar 2004 bis zum Juli 2006, als Nachfolger von Elke Heidenreich und Daniel Cohn-Bendit, den Literaturclub des Schweizer Fernsehens, eine der ältesten Literatursendungen im deutschsprachigen Fernsehen. „Das ist auch die Dosis Fernsehen, die mir reicht, mehr als einmal im Monat möchte ich in der Glotze lieber nicht erscheinen“, bekannte Willemsen. Den Abschied von Massenfernsehen, Quote und Ruhm habe er nach eigenen Angaben „keine Sekunde lang bereut“. Regelmäßig zu sehen im deutschen Fernsehen war er zu Gastkommentaren bei Sarah Kuttner – Die Show (VIVA) und beim Nachfolgeformat Kuttner (MTV), wo er im August 2006 auch letzter Gast der Sendung war. Des Weiteren trat er als Rate-Gast in der wöchentlichen Fernsehsendung Ich trage einen großen Namen auf.

In den Folgen 45 und 54 der Comedyserie Pastewka hatte er 2011 und 2012 jeweils einen Gastauftritt.