Роберт Дауни-младший родился 4 апреля 1965 года 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.

Роберт 7 лет встречался с Cарой-Джессикой Паркер, с которой расстался в 1991 году.

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 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 (в 1996 году был приговорён к 16 месяцам заключения в тюрьме Лос-Анджелеса) и принудительному лечению. По словам самого Дауни-младшего, его знакомство с марихуаной состоялось в возрасте 8 лет не без помощи родного отца.

Из-за наркомании он развелся со своей первой женой, певицей и моделью Деборой Фальконер, с которой у них есть совместный сын Индио. Переломным событием в жизни Дауни оказалось знакомство с продюсером Сьюзан Левин на съёмках триллера «Готика», где он сыграл вместе с Холли Берри и Пенелопой Крус. Роберт прошел очередной курс лечения в Лос-Анджелесе ради своей любви к Сьюзан и, вылечившись, сделал предложение руки и сердца мисс Левин. Игра актёра получила лестные отзывы и после выхода комедийного детектива «Поцелуй навылет». Параллельно с этой работой Дауни-младший выпускает альбом песен собственного сочинения и исполнения под названием «The Futurist». Выходом альбома Роберт показал публике свои великолепные вокальные и музыкальные таланты. 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.

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 (комедия или мюзикл)».

В 2010 году Роберт вновь исполнил роль Тони Старка в картине «Железный человек 2», за которую номинировался на премии Сатурн и канала «MTV». В том же году он вместе с Заком Галифианакисом снялся в комедии «Впритык».

В 2011 году Роберт вновь появился в роли Шерлока Холмса во втором фильме Гая Ричи об всемирно известном сыщике.

В 2012 году Роберт Дауни мл. снялся в фантастическом фильме «Мстители», в котором он вновь исполнил роль Тони Старка/Железного человека. Эту же роль он исполнил в третей части «Железного человека» в 2013 году.

В 2014 году с участием Роберта вышли картины - «Повар на колесах» и «Судья». В последнем ему вместе с Робертом Дюваллом досталась главная роль. В том же 2014 году Дауни-младший закончил сниматься в фантастическом фильме «Мстители: Эра Альтрона», выход которого состоялся в апреле 2015 года.

Также в 2015 году Роберт приступил к съемкам фильма «Первый мститель: Гражданская война», премьера которого назначена на 2016 год.