Роберт Дауни-младший родился в семье независимого режиссёра Роберта Дауни-старшего. Первой ролью Роберта стала небольшая роль щенка в фильме своего отца. В возрасте двадцати лет (в 1985 году) Дауни-мл. на один сезон присоединился к команде, выпускающей популярнейшее американское телешоу Субботним вечером в прямом эфире. После опыта на телевидении он окончательно решил связать судьбу с кинематографом и переехал в Голливуд.
В 1987 году Роберт Дауни-мл. получил ведущую роль в комедии Джеймса Тобака «Специалист по съёму».
После нескольких работ в подростковых кино-комедиях Роберт Дауни-младший заявил о себе ролью отчаявшегося подростка-наркомана в фильме «Меньше нуля» (1987 г.), ставшем культовым и успешным. В 1992 году, когда на экраны вышел фильм сэра Ричарда Аттенборо «Чаплин», в котором актёр сыграл легендарного комика. Актёрская игра Дауни-младшего впечатлила всех без исключения, и актёр удостоился номинации на премию «Оскар» в категории «Лучшая мужская роль». Критика и публика называла Роберта Дауни-младшего одним из самых многообещающих актёров молодого поколения.
Однако настоящее перерождение Роберт получает после его утверждения на главную роль в фильме «Железный человек». После выхода фильма киностудии буквально забрасывают актёра различными предложениями.
В 2008 году выходит фильм Бена Стиллера «Солдаты неудачи», в котором рассказывается история актёров, попавших на настоящую войну, но считающей это всего лишь съёмками. Роберт сыграл в фильме Кирка Лазуруса, пятикратного лауреата премии «Оскар», который ради новой роли пересадил себе чёрную кожу(скорее изменил пигментацию). Блистательная игра Дауни-младшего принесла ему вторую номинацию на «Оскар», номинацию на «Золотой глобус» и номинацию на приз Британской академии.
В конце 2009 года на экраны вышел фильм Гая Ричи «Шерлок Холмс», где в паре с Джудом Лоу, который играет доктора Джона Ватсона, Роберт исполнил роль гениального сыщика Холмса. В первый же уик-энд фильм побил все рекорды по кассовым сборам , а Роберт Дауни-младший получил премию — «Золотой Глобус», в номинации «Лучшая мужская роль
