Роберт Дауни-младший родился 4 апреля 1965 года в Нью-Йорке, США, 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 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 съёму» (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.
В 2004 году он сыграл вместе с Халли Берри и Пенелопой Круз в фильме "Готика". 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.