Manhattani művészcsaládba született, anyja színésznő, apja Robert Downey író és avantgárd filmes volt, akinek a Pound című abszurd vígjátékban ötévesen debütált a filmvásznon. Két évvel később a Greaser’s Palace című szürrealista westernben játszott.

Szülei 1977-es válását követően rövid ideig anyjával maradt, majd apjához költözött Kaliforniába, ekkor döntött a színészet mellett. Tizenhét évesen abbahagyta a Santa Monica-i középiskolát, és visszaköltözött New Yorkba. Különféle munkákat vállalt, hogy eltartsa magát, közben meghallgatásokra járt, és kisebb szerepeket játszott off-Broadway-produkciókban.

Robert Downey Jr.

AP / Invision / Matt Sayles

Első komolyabb filmszerepét az 1983-as Szeress belém című filmben kapta, azonban jeleneteit végül kivágták. A következő évben mellékszerepet kapott a Firstborn című alkotásban, amelynek forgatásán megismerkedett Sarah Jessica Parker színésznővel, akivel több évig éltek együtt.

1985-ben a Saturday Night Live állandó szereplője lett, de a produkcióból az alacsony nézettség miatt két év múlva elbocsátották. Filmes karrierje a nyolcvanas évek derekán kezdett beindulni, előbb a Városi vagányok című alkotásban, majd a John Hughes rendezte Különös kísérlet című tinikomédiában tűnt fel. Az 1986-os Vissza a suliba című vígjáték és az apja által rendezett America című filmek után főszerepet osztottak rá A nővadász című romantikus vígjátékban.

Az áttörést Bret Easton Ellis regényének filmadaptációja, a Fagypont alatt hozta el számára, amely után sorban kapta a jobbnál jobb szerepeket. Az igazság bajnokában James Woods partnere volt, az Air Americában Mel Gibsonnal játszott együtt.

Richard Attenborough 1992-ben rá osztotta a Chaplin címszerepét, amelyért begyűjtötte első Golden Globe- és Oscar-jelölését (az aranyszobrocskát ekkor még Al Pacino vitte haza helyette az Egy asszony illatáért) és elnyerte a legjobb színésznek járó BAFTA-díjat. Ezt követően olyan filmekben játszott, mint a Lelkük rajta, a Rövidre vágva, a Született gyilkosok, a III. Richárd, a Változások kora vagy a Wonder Boys – Pokoli hétvége.

Robert Downey Jr

AFP / Kobal

Az ekkor már A-listás színész karrierje 1996-ban kezdett mélyrepülésbe, egyre többször tartóztatták le drogbirtoklásért és -használatért. Számos alkalommal vett részt elvonón, s egy alkalommal három év fogházbüntetésre ítélték, ahonnan csak óvadék ellenében szabadulhatott korábban.

Ezt követően a főszereplő Calista Flockhart szerelmeként visszatérő szereplő lett az Ally McBeal című sorozatban. Alakításáért 2001-ben az Emmy-jelölés mellett Golden Globe-díjat kapott a legjobb mellékszereplő kategóriában. Egy újabb letartóztatás után azonban kirúgták a sorozatból, s egy évet töltött egy rehabilitációs intézményben.

2003-ban végleg leszámolt a drogokkal, és elkezdte újraépíteni karrierjét. A filmezéshez Az éneklő detektív című musicallel, valamint a Gothika című thrillerrel tért vissza, Halle Berry és Penélope Cruz oldalán.

Az évtizedben feltűnt Shane Black első rendezői munkájában, a Durr, durr és csókban, Val Kilmer partnereként, a George Clooney által rendezett Jó estét, jó szerencsében, Richard Linklater Kamera által homályosan című filmjében, valamint Nicole Kidman oldalán A szépség és a szőr – Diane Arbus képzeletbeli portréja című életrajzi alkotásban. David Fincher Zodiákus című thrillerében Jake Gyllenhaal és Mark Ruffalo mellett szerepelt.

Karrierje újabb fordulópontja 2008-ban következett be, amikor főszerepet kapott A Vasember című Marvel-filmben és a Ben Stiller által írt és rendezett Trópusi viharban, amelyért újabb Oscar-jelölést kapott a legjobb férfi mellékszereplő kategóriában. A következő évben Guy Ritchie rendezésében Sherlock Holmes ruháját öltötte magára, s jutalma a legjobb filmvígjátéki vagy musicalben nyújtott színészi alakításért járó Golden Globe-díj lett.

A 2010-es években főleg a képregényekből ismert Tony Stark szerepében tűnt fel nemcsak a Vasember-filmekben, hanem a Bosszúállók című Marvel-sorozatban, valamint a 2016-os Amerika Kapitány: Polgárháború és a 2017-es Pókember: Hazatérés című produkciókban.

AFP / Marvel Studios / Kobal

2023-ban Lewis Strausst alakította Christopher Nolan Oppenheimer című filmjében, a szereppel eddigi karrierje csúcsára ért: elnyerte a legjobb férfi mellékszereplőnek járó Oscar-, Golden Globe- és BAFTA-díjat, valamint a Screen Actors Guild és a Critics Choice Awardot.

Legutóbb az HBO-n futó, Viet Thanh Nguyen Pulitzer-díjas regényén alapuló A szimpatizáns című minisorozatban tűnt fel, amelyben alakításáért Emmy-díjra jelölték a mellékszereplők közt, s amelyben produceri szerepet is vállalt.

A színész fáradhatatlanul dolgozik, a tervek szerint harmadjára is visszatér Sherlock Holmesként, s az előreláthatólag 2027-ben mozikba kerülő újabb Bosszúállók: Titkos háború részben immáron Doctor Doomként fog szerepelni.

Downey filmjeiben többször dalra fakadt, nagy sikere volt Joni Mitchell River című dalának feldolgozásával, amely az Ally McBeal sorozat karácsonyi albumán jelent meg. The Futurist címmel 2004-ben szólólemezt is kiadott, amelyen nyolc dalt jegyez.

A színészt a Time magazin 2008-ban a világ 100 legbefolyásosabb embere közé sorolta. 2012–2015 között vezette a Forbes magazin a legjobban kereső hollywoodi sztárok listáját. Magánéletéről tudni, hogy több kapcsolata is zátonyra futott korábbi függősége miatt. 2005-ben vette feleségül Susan Levin producert, akivel Team Downey néven közös produkciós céget is alapítottak.