Robert John Downey Jr, a New York városi Greenwich Village-ben látta meg a napvilágot, az underground filmes Robert Downey Sr. és Elsie Downey fiaként. Nővére az író, színésznő Allyson Downey. Első szerepét apja Pound című filmjében kapta, mindössze öt évesen egy kutyust alakított. Húsz évesen csatlakozott a híres Saturday Night Live stábjához egy szezon erejéig. Ezután Hollywood-ba költözött. 1987-ben megkapta első főszerepét James Toback rendező The Pick-up Artist című filmjében. Ugyanebben az évben eljátszotta a drogfüggő Julian Wells karakterét a Less Than Zero című filmben. 1992-ben Charles Chaplin legendás alakját kelthette életre Sir Richard Attenborough Chaplin című filmjében. Kivételes alakításáért Oscar-díjra jelölték a legjobb férfi főszereplő kategóriában. 2000-ben vendégszerepelt az Ally McBeal című vígjátéksorozatban, ahol az ügyvéd Larry Paul karakterét keltette életre, aki Ally szeretője lett. A sorozatban nyújtott alakításáért Golden Globe-díjjal jutalmazták. Downey a sorozatban megmutatta, hogy énekelni is tud, nem csak színészkedni, amikor elénekelte Joni Mitchell River és Chances Are című dalait duettben Vonda Sheparddal és az Every Breath You Take című dalt Stinggel. 2005-ben kiadta saját lemezét The Futurist címmel. Azóta úgy tűnik, kezd ismét felfelé ívelni karrierje, hiszen főszerepet játszott a Vasember-ben, aminek már folytatása is van, szerepelt a Hihetetlen Hulkban, és a Trópusi viharban.

Apróbb érdekességek:

7 évig élt együtt Sarah Jessica Parker-rel, aki a Sex és New York sztárja manapság.
Van egy fia, az előző házasságából, Indio Falconer Downey, aki 1993-ban született.
Többször ült már börtönben, főleg droghasználat miatt.
Gyerekkori barátja Moby, az énekes.

Díjak és jelölések:

2001 - Golden Globe-díj - a legjobb férfi epizódszereplő tv-filmben (Ally McBeal)
2009 - Oscar-jelölés - a legjobb férfi epizódszereplő (Trópusi vihar)
2009 - Golden Globe-jelölés - a legjobb férfi epizódszereplő (Trópusi vihar)
2001 - Emmy-jelölés - a legjobb férfi epizódszereplő vígjáték soroz (Ally McBeal)
1993 - Oscar-jelölés - a legjobb színész (Chaplin)
1993 - Golden Globe-jelölés - a legjobb drámai színész (Chaplin)