Роберт Дауни-младший родился в семье независимого режиссёра Роберта Дауни-старшего. Первой ролью Роберта стала небольшая роль щенка в фильме своего отца. В возрасте двадцати лет (в 1985 году) Дауни-мл. на один сезон присоединился к команде, выпускающей популярнейшее американское телешоу Субботним вечером в прямом эфире. После опыта на телевидении он окончательно решил связать судьбу с кинематографом и переехал в Голливуд.
В 1987 году Роберт Дауни-мл. получил ведущую роль в комедии Джеймса Тобака «Специалист по съёму».
После нескольких работ в подростковых кино-комедиях Роберт Дауни-младший заявил о себе ролью отчаявшегося подростка-наркомана в фильме «Меньше нуля» (1987 г.), ставшем культовым и успешным. В 1992 году, когда на экраны вышел фильм сэра Ричарда Аттенборо «Чаплин», в котором актёр сыграл легендарного комика, актёрская игра Дауни-младшего впечатлила всех без исключения, и актёр удостоился номинации на премию «Оскар» в категории «Лучшая мужская роль». Критика и публика называла Роберта Дауни-младшего одним из самых многообещающих актёров молодого поколения.
Однако в этот период у актёра возникает наркотическая зависимость, в результате которой после череды громких скандалов его увольняют со студий, где он был занят на съёмках, а суд приговаривает к тюремному заключению (в 1996 году был приговорён к 16 месяцам заключения в тюрьме Лос-Анджелеса) и принудительному лечению. По словам самого Дауни-младшего, его знакомство с марихуаной состоялось в возрасте 8 лет не без помощи родного отца.
Из-за наркомании он развелся со своей первой женой, певицей и моделью Деборой Фальконер, с которой у них есть совместный сын Индио. Переломным событием в жизни Дауни оказалось знакомство с продюсером Сьюзан Левин на съёмках триллера «Готика», где он сыграл вместе с Холли Берри и Пенелопой Крус. Роберт прошел очередной курс лечения в Лос-Анджелесе ради своей любви к Сьюзан и, вылечившись, сделал ей предложение руки и сердца. Игра актёра получила лестные отзывы и после выхода комедийного детектива «Поцелуй навылет». Параллельно с этой работой Дауни-младший выпускает альбом песен собственного сочинения и исполнения под названием «The Futurist». Выходом альбома Роберт показал публике свои великолепные вокальные и музыкальные таланты. В 2006 году его исполнение роли некоего таинственного Лайонела, который вступает в связь с героиней Николь Кидман в фильме «Мех», получило самые восторженные отклики кинокритиков.
Однако настоящее перерождение Роберт получает после его утверждения на главную роль в фильме «Железный человек». После выхода фильма киностудии буквально забрасывают актёра различными предложениями. В 2008 году выходит фильм Бена Стиллера «Солдаты неудачи», в котором рассказывается история актёров, попавших на настоящую войну, но считающей это всего лишь съёмками. Роберт сыграл в фильме Кирка Лазуруса, пятикратного лауреата премии «Оскар», который ради новой роли изменил пигментацию своей кожи. Блистательная игра Дауни-младшего принесла ему вторую номинацию на «Оскар», номинацию на «Золотой глобус» и номинацию на приз Британской академии.
В конце 2009 года на экраны вышел фильм Гая Ричи «Шерлок Холмс», где в паре с Джудом Лоу, который играет доктора Джона Ватсона, Роберт исполнил роль гениального сыщика Холмса. В первый же уик-энд фильм побил все рекорды по кассовым сборам, а Роберт Дауни-младший получил премию — «Золотой Глобус», в номинации «Лучшая мужская роль (комедия или мюзикл)».
В 2010 году вышел сиквел фильма снятого по комиксам Железный человек 2. Роберт уже подписался на участие в третьей части фильма и в Мстителях. Роберт 7 лет встречался с Cарой-Джессикой Паркер, с которой расстался в 1991 году.
Первый брак: с 1992 по 2004 с певицей и моделью Деборой Фалконер. Совместный сын, Индио (родился 7 сентября 1993 года). Второй брак: в 2003 году на съемках триллера «Готика» Роберт встретил Сюзан Левин (продюсер). Они женаты по сей день; совместных детей нет.
Звезды.ру