Отец актера, Роберт Дауни-ст., прославился как актер и сценарист независимых фильмов. В 1970 году он выпустил фильм «Загон», в котором снял своего сына и тем самым дал старт его актерской карьере. В возрасте двадцати лет Роберт Дауни-мл. присоединился к актерскому составу шоу «Субботним вечером в прямом эфире», но после опыта на телевидении решил изменить вектор своей карьеры и покорить Голливуд.
В школьные годы актер ненавидел комиксы. В старших классах его отстранили от занятий за то, что он оскорбил одноклассника за любовь к графическим романам, вырвал из его рук комикс и порвал на части. Это был комикс о Железном человеке.
В 90-х Дауни-мл. становится популярным после выхода фильма «Чаплин», где он сыграл главную роль. Критики высоко оценили его игру, и актер удостоился премии BAFTA за лучшую мужскую роль, а также был номинирован на «Золотой глобус» и премию «Оскар». Публика назвала Роберта Дауни-мл. одним из самых многообещающих актеров молодого поколения.

Однако в этот же период у актера начинается наркотическая зависимость. В результате череды скандалов Роберта Дауни-мл. увольняют со студий, где он был занят на съемках, а суд приговаривает актера к 16 месяцам тюремного заключения и принудительному лечению. Во время нахождения в реабилитационном центре актера отпустили на один день, чтобы тот снялся в клипе Элтона Джона.
Переломным событием в жизни актера стало знакомство с продюсером Сьюзан Левин на съемках фильма «Готика». Ради своей любви к ней актер прошел очередной курс лечения и сделал Сьюзан предложение. Помимо этого, как пишут СМИ, на решение отказаться от зависимости Роберта натолкнул еще и ресторан быстрого питания «Бургер Кинг». Находясь в состоянии наркотического опьянения, он заехал в заведение и съел бургер, который показался ему отвратительным. Тогда он понял, что ему нужно что-то менять.
Также в ходе съемок «Готики» актер случайно сломал руку своей партнерше по фильму Холли Берри — он слишком резко дернул актрису. После инцидента его увели со съемочной площадки и проверили на алкоголь и наркотики, но ничего не нашли.
В 2005 году Роберт Дауни-мл. исполнил одну из главных ролей в фильме «Поцелуй навылет», где его игра вновь получила лестные отзывы от критиков. Однако настоящее перерождение карьеры произошло в 2008 году, когда он получил роль Железного человека. После выхода фильма студии начали забрасывать его различными предложениями. При этом в Японии актер является персоной нон грата. Во время промо-тура к «Железному человеку» ему чуть не отказали во въезде в эту страну, однако организаторы все уладили, пообещав, что Роберт Дауни-мл. больше никогда не посетит Японию.

В 2009 году на экраны вышел фильм Гая Ричи «Шерлок Холмс», где Дауни-мл. исполнил главную роль. Роль доктора Ватсона исполнил Джуд Лоу. В ходе съемок Гай Ричи был недоволен разницей в росте между актерами и заставил Роберта Дауни-мл. носить обувь на высокой платформе. Во время привыкания к новой обуви актеру не всегда удавалось удержать равновесие во время съемок. Также обувь на высоком каблуке ему приходилось носить и в ходе съемок «Железного человека», так как актриса Гвинет Пэлтроу, которая исполнила роль любовного интереса Тони Старка, тоже была выше его. После идею с обувью на высокой подошве Роберт Дауни-мл. позаимствовал для своего повседневного гардероба.
Помимо актерской карьеры; у Дауни-мл. есть интересное хобби — на протяжении многих лет он практикует боевой стиль ушу Вин-чунь. Сейчас актер занят в предстоящем фильме Кристофера Нолана «Оппенгеймер», а также ходят слухи о разработке третьей части «Шерлока Холмса».

