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 1975 году) Дауни-мл. на один сезон присоединился к команде, выпускающей популярнейшие американское телешоу Saturday Night Live. 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 съему (The Pick-up Artist), после чего снялся в череде незапоминающихся картин. Ситуация изменилась в 1992 году, когда на экраны вышел фильм сэра Ричарда Эттенборо 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 в этот период у актёра возникает наркотическая зависимость, в результате которой после череды громких скандалов его увольняют со студий, где он был занят на съёмках, а суд приговаривает к тюремному заключению и принудительному лечению. По словам самого Дауни - младшего, его знакомство с марихуаной состоялось в возрасте 8 лет не без помощи родного отца.
После прохождения курса лечения Дауни-младший вернулся на экраны в 2004 году с фильмом Готика, где он сыграл вместе с Халли Берри и Пенелопой Круз. Игра актёра получила лестные отзывы и после выхода комедийного детектива Поцелуй навылет. В 2006 году его исполнение роли некоего таинственного Лайонела, который вступает в связь с героиней Николь Кидман в фильме Мех, получило самые восторженные отклики кинокритиков.