Robert John Downey Jr. 1965-ben született a New York-i Greenwich Village-ben, az underground filmes Robert Downey Sr. és Elsie Downey fiaként. Nővére az író, színésznő Allyson Downey.

20 éves korában egy szezon erejéig csatlakozott a híres Saturday Night Live stábjához erejéig, ezt követően színészi ambíciókat dédelgetve Hollywoodba költözött. Első komolyabb szerepét a James Toback rendezésében bemutatott A nővadász (1987) című filmben kapta, de ugyanebben az évben Bret Easton Ellis könyvének filmadaptációjában, a Nullánál is kevesebb-ban (1987) láthattuk. Karrierjében az áttörést Richard Attenborough filmje, a Chaplin (1992) hozta meg, melyben ő alakította az ikonikus komikust. A film kedvéért megtanult hegedülni, balkézzel teniszezni, de Chaplin jellegzetes testtartását is remekül utánozta.

1996 és 2001 között igen nehéz időszakon ment keresztül, kábítószerrel való visszaélés és egyéb incidensek miatt többször tartóztatták le. Egy ideig börtönben is volt, rehabilitációra járt és többször rúgták ki filmforgatásokról is. Ennek ellenére az Ally McBeal című sorozatban nyújtott alakításáért megkapta az első Golden Globe-díját, ezt követően azonban ismét visszacsúszott. Kitartásának és Mel Gibson közbenjárásának köszönhetően a kétezres évek második felében karrierje ismét felfele kezdett ívelni. Olyan filmekben kapott szerepet, mint a Durr, durr és csók (2005), a Kamera által homályosan (2006) és Zodiákus (2007).

A Trópusi vihar (2008) című óriási sikereket elért komédiában Kirk Lazarus szerepében igen emlékezetes alakítást nyújtott Ben Stiller és Jack Black oldalán.

Karrierjének csúcsára a 2008-as képregény adaptációval, A vasemberrel ért fel, melynek mindhárom folytatásában ő játszotta Tony Starkot (Vasember 2 – 2010, Vasember 3 – 2013), de az ikonikus hős karakterében olyan filmekben is feltűnt, mint A hihetetlen Hulk (2008), a A tanácsadó (2011) és a Bosszúállók (2012). Hírnevét tovább növelte, mikor Guy Richie filmjeiben (Sherlock Holmes – 2009), Sherlock Holmes: Árnyjáték – 2011) megkapta a népszerű mesterdetektív, Sherlock Holmes szerepét. Filmbéli partnerét, Dr. Watsont Jude Law játszotta.

Több évig alkotott egy párt Sarah Jessica Parkerrel volt, de drogproblémái miatt végül szakítottak. Első felesége Deborah Falconer volt, azonban házasságuk válással végződött. 2005-ben vette el Susan Levin, akivel megalapították a Team Downey produkciós cégüket. Két fia született. Énektudását már többször megcsillogtatta, Joni Mitchell River és Chances Are című dalait Vonda Sheparddal énekelte duettben, de a közelmúltban Stinggel is fellépett. 2005-ben saját lemezt adott ki The Futurist címmel.