Robin Tunney 1972. június 19-én született Chicagóban. Édesapja autókereskedőként, édesanyja csaposként dolgozott. Felmenői révén ír származású. A Carl Sandburg High School-ban érettségizett, majd a Chicago Academy for the Arts-on végezte felsőfokú tanulmányait.

Első filmszerepeit tévéfilmekben és sorozatokban kapta: Kőbunkó (1992), (1993), A zenebirodalom visszavág (1995), Bűvölet (1996). Az első férje, Bob Gosse rendezte Niagara, Niagara (1997) című film főszerepéért a Velencei Filmfesztivál a legjobb női alakítás díjával tüntette ki. Ezt követően játszott a Julian Po - Utazás a tengerhez (1997) és a Amerikai bérgyilkosnő (1998) című alkotásokban, majd elnyerte Christine York szerepét Arnold Schwarzenegger oldalán az Ítéletnap (1999) című akciófilmben.

A főszereplők között kapott helyet a Jég és föld között (2000) filmben, de a Szeress örökkében (2002) is az élvonalban látható. Szerepelt az Apósok akcióban (2003) vígjátékban és a Paparazzi (2004) akciófilmben is. Rebecca Adler szerepét kapta meg a Doktor House (2004) pilot epizódjában, majd Veronica Donovanként találkozhattunk vele A szökés (2005) című akciófilm-sorozatban. Ezt követően szerepet kínáltak neki a Hollywoodland (2006) és az Augusztus (2008) alkotásokban is.

Pályája fontos állomása volt Teresa Lisbon ügynök szerepének megformálása A mentalista (2008) című tévésorozatban, melyben Simon Baker partnere volt. Játszott a Passenger Side (2009) filmdrámában, majd Emmie főszerepét formálta meg a Hova tovább (2013) romantikus vígjátékban. Készülő filmje a My All-American (2015).