Robert John Downey Jr. 1965. április 4-én született Manhattanben, New Yorkban a család legfiatalabb tagjaként. Van egy nővére, Allyson. Édesapja Robert Downey, Sr. színész, író, operatőr, producer és underground filmrendező volt, édesanyja Elsie Ford pedig színésznő. Édesapja félig orosz- zsidó, félig ír katolikus származású, míg édesanyja skót, német és svájci felmenőkkel is büszkélkedhet. A család Greenwich Village-ben élt, mégsem volt felhőtlen a gyerekkora. Édesapja kábítószerfüggő volt, és már gyerekként bevezette fiát ebbe a világba, például már nyolc évesen marihuánát adott neki, ami utólag sok mindent megmagyaráz.

5 évesen szerepelt először édesapja abszurd vígjátékában a Poundban, ahol egy beteg kiskutyát alakított, majd 7 évesen feltűnt a szürrealista Greaser's Palace-ben. 10 évesen egy ideig Angliában élt és tanult klasszikus balettet, majd 1978-ban szülei válása után édesapjával Kaliforniába költözött. Miután 1982-ben félbehagyta tanulmányait a főiskolán, úgy döntött, hogy visszaköltözik New Yorkba, hogy teljes idejében a színészi karrierjére koncentrálhasson. Hollywoodba költözése után három évig Kiefer Sutherland szobatársa volt. Kezdetben színházakban játszott, majd 1985-ben, mindössze 20 évesen csatlakozott egy heti televíziós comedy show-hoz a Saturday Night Live-hoz, de egy évre rá az alacsony költségvetés miatt elbocsátották. A műsor hamarosan legendává vált.

Hősünk kicsiben kezdte, az 1985-ös Tuff Turfben James Spader haverját alakította, majd a Különös kísérlet (1985) című John Hughes filmben kapott mellékszerepet és az Álmodj rózsaszíntben (1986). 1987-ben főszerepet kapott Molly Ringwald mellett A nővadász című filmben. Ugyanebben az évben egy kábítószerfüggő gazdag fiút alakított Bret Easton Ellis könyvének filmadaptációban a Less Than Zeroban. A szerepnek köszönhetően Robertet egyre többet foglalkoztatták nagyobb költségvetésű filmekben, mint például az Az ég is tévedhet (1989), az Air America (1990) és a Folytatásos forgatás (1991).

1992-ben megkapta Charlie Chaplin szerepét a Chaplin című filmben. A film kedvéért tanult meg hegedülni, bal kézzel teniszezni, és egy személyi edző segített elsajátítani Chaplin jellegzetes testtartását. Alakításáért Oscarra jelölték a Legjobb Színész kategóriájában, de nem ő nyert. Ezután olyan filmek következtek, mint a Lelkük rajta (1993), Only You (1994), Született gyilkosok (1994), Változások kora (1995) vagy a III. Richard (1995). És amikor már úgy tűnt, igazán nagy sztár lehet belőle, elkezdődtek a gondok. Egyre többször tartóztatták le kábítószer birtoklásért és használatért. Számos alkalommal ítélték rehabilitációra, de mindig visszaesett. 1996 áprilisában letartóztatták heroin, kokain és tiltott lőfegyver birtoklásáért, illetve gyorshajtásért.

Három év próbaidőt kapott, és kötelezően részt kellett vennie az előírt drogteszteken. 1997-ben elmulasztott egy bírósági kábítószer-vizsgálatot, ezért négy hónapot kellett leülnie a Los Angeles-i megyei börtönben. 1999-ben ismét egy elmulasztott drogteszt miatt tartóztatták le, és ekkor már komolyabb büntetést kapott. Szabadulása után egy héttel szerepet kapott az Ally McBeal című sorozatban, ahol a címszereplő Calista Flockhart új szerelmét alakította. A sorozatban nyújtott kiváló alakításáért Emmy- és Golden Globe-díjra jelölték, az utóbbit meg is nyerte. A sorozatban énekesi tehetségét is megcsillogtathatta: duettet énekelt Stinggel, ésa  sorozat dalaiból válogatott albumra is írt egy számot.

Az Ally McBeal első évadának befejezése előtt, egy névtelen bejelentés alapján ismét letartóztatták kokain és válium birtoklás vádjával, majd 2001 áprilisában a Los Angeles-i rendőrség ismét letartóztatta befolyásoltság alapos gyanújával, aminek köszönhetően kiírták a sorozatból. Jött az új rehab, és kapott három év próbaidőt, hogy legyőzze szenvedélybetegségét. És innen újra vidám a mese: öt év sorozatos szerhasználat, letartóztatások, rehabilitációk és visszaesések után készen állt arra, hogy visszatérjen. Mel Gibson, akivel együtt szerepelt az Air America című filmben, és a színész közeli barátjává vált, főszerepet ajánlott neki Az éneklő detektív című filmben, majd újra főszerepet játszott a Gothika című sötét thrillerben Halle Berry oldalán. Ezután számos félig vagy egészen független produkcióban kapott szerepeket, olyanokban, mint az Őrangyallal, védtelenül (2006), Jó estét, jó szerencsét! (2005), Kamera által homályosan (2006), Durr, durr és csók (2005), Összekutyulva (2006). 2007-ben megkapta David Fincher A Zodiákus című filmjében, a San Francisco Chronicle újságírójának Paul Avery-nek a szerepét. 

Robert egész karrierje során még soha nem szerepelt igazi kasszasikerben, de ez 2008 nyarán megváltozott, mikor magára öltötte a A Vasember jelmezét, ezzel egy csapásra igazi világsztárrá vált. Ezt követte Ben Stiller 2008-as nyári vígjátéka, a Trópusi vihar, ahol élete legbizarrabb karakterét játszotta el, Kirk Lazarust, az ausztrál színészt, aki annyira híve a method actingnek, hogy éppen feketévé operáltatta magát a karaktere kedvéért – Oscarra is jelölték érte. 2009-ben Jamie Foxx mellett játszott A szólista című filmben, majd Guy Ritchie filmjében a Sherlock Holmesban alakította a címszereplőt Jude Law mellett. 2010-ben megjelent a Vasember 2., ugyanebben az évben megjelent egy komédiája a Terhes társaság, amelyben Zach Galifianakis volt a partnere. 2011-ben elkészült a Sherlock Holmes második része a Sherlock Holmes 2. – Árnyjáték. 2012. április 11-én debütált a mozikban a várva várt Bosszúállók film Joss Whedon rendezésében, amely a nyitóhéten rekordot döntött, és innentől Downey Jr.-t elnyelte az MCU. Jött a Vasember 3., a Bosszúállók: Ultron kora, az Amerika Kapitány: Polgárháború, a Pókember - Hazatérés, a két részre bontott nagy finálé, a Bosszúállók: Végtelen háború és a Bosszúállók: Végjáték.

Robert Downey Jr. pedig, aki a filmeknek köszönhetően a világ legjobban fizetett színésze lett, lassan átlényegült a fantasztikus Tony Starkká – és talán maga is megkönnyebbült, amikor a Marvel és az egész világ elbúcsúzott a karakterétől. Gyanítom, hogy a Dolittle főszerepére csak azért mondott igent, mert végre semmi olyat nem kellett csinálnia, amit a szuperhősök szoktak, 2021-ben pedig várható a Sherlock Holmes 3. része, melyben ismét a különc mesterdetektív bőrébe fog bújni. És van még a már leforgatott All-Star Weekend Gerard Butlerrel és Benicio del Toróval Jamie Foxx rendezésében, amelynek utómunkálatai folynak, és ami nyilván csúszni fog. A színész addig is tölthet némi időt családjával – Deborah Falconer színésznőtől van egy már felnőtt fia, Indio, jelenlegi élettársától, Susan Levin producertől, aki egyben üzlettársa is, pedig született egy fia, Exton Elias és egy lánya, Avri Roel.