W 1984 wystąpił w filmie Songwriter (gościnnie pojawił się tam też Kris Kristofferson), a dwa lata później w telewizyjnej produkcji Stagecoach (z Johnnym Cashem). Następnie Willie otrzymał główną rolę w filmowej ilustracji jego albumu Red Headed Stranger (1986). Po pewnej przerwie stanął znów przed kamerą w Wag the Dog (1997), Gone Fishin (1997) jako Billy 'Catch' Pooler, The Dukes of Hazzard (2005) i Surfer, Dude (2008).

Nelson nie przestawał występować od czasu swego debiutu, lecz zazwyczaj były to niewielkie role. Niektóre z nich wywindowały Nelsona na status zwolennika marihuany. Jednym z najbardziej popularnych epizodów artysty był występ w Half Baked, gdzie pojawił się jako starzec – „Historian Smoker” który paląc marihuanę, przypominał sobie całą młodość. Nelson pojawił się też jako on sam w filmie z 2006 roku Beerfest. Zagrał tam człowieka poszukującego wspólników, którzy mogliby dołączyć do niego w fikcyjnych mistrzostwach świata w paleniu marihuany odbywających się w Amsterdamie. W tym samym czasie muzyk nagrał „Weed with Willie” z Tobym Keithem.