4 Nisan 1965'te New York'ta doğmuştur. Aktör, yazar, prodüktör ve yönetmen Robert Downey Sr.'nin oğlu olan Downey Jr., 1970 yılında babasının çevirdiği Pound adlı filmde küçük bir rol alarak sinema kariyerine başlamıştır. Aynı zamanda iyi bir müzisyen de olan Robert Downey Jr., 80'lerin sonu ile 90’ların başında rol aldığı filmler ile üne kavuşmuştur. Ona ilk ün getiren rolü 1987 yapımlı Less Than Zero isimli filmde canlandırdığı uyuşturcu bağımlısı genç karakteridir. Buradaki başarısı onu daha sonra Air America ve Soapdish gibi büyük yapımlara götürmüştür. 1992 yılında oynadığı Chaplin filmindeki Charlie Chaplin rolü ile en iyi aktör dalında Oscar ödülüne aday gösterilmiştir.

90'lı yılların sonlarında uyuşturucu bağımlısı olmuş, bir süre hapis yatmış, ancak 2000 yılında bu bağımlılıktan da kurtulmuş bir şekilde Ally McBeal adlı TV dizisi ile kariyerine başarılı bir dönüş yapmıştır. Bu dizideki başarısı ona Golden Globe ödülünü kazandırmış, ayrıca Emmy ödülüne aday gösterilmiştir. Ancak ilk sezon bitiminde aktörün yeniden uyuşturucuya başlaması nedeniyle prodüktör tarafından dizi ile ilişkisi kesilmiş, Downey Jr. bir yıllık bir tedavi ve 3 yıllık deneme süresinden sonra ancak 5. ve son sezonda küçük bir rol ile Ally McBeal'a dönebilmiştir.

Sinema dünyasına kendini yeniden kabul ettirebilmek için 2000'lerin ortasında çok sayıda filmde oynadı. 2007 yılında David Fincher'ın Zodiac filminde yer aldı. 2008'de Iron Man serisinin ilk filminde milyarder iş adamı Tony Stark rolünü üstlendi (2010 ve 2013'te serinin ikinci ve üçüncü filmlerinde de boy gösterdi). Aynı yıl Ben Stiller'ın Tropik Fırtına (Tropic Thunder) filminde rol icabı zenci olan bir aktörü canlandırdı.

2009'da Guy Ritchie'nin Sherlock Holmes uyarlamasında Sherlock rolüyle izleyici karşısına çıktı. Bu filmde Jude Law ve Rachel McAdams ile başrolü paylaştı. 2011'de serinin devam filminde rolünü tekrar etti. 2012 yılında Marvel Comics'in süper kahramanlarını bir araya getiren Yenilmezler (The Avengers) filminde yine Iron Man rolündeydi.

Film kariyerine paralel olarak müzik kariyerini de sürdüren Downey Jr, 2004 yılında ilk ve tek albümünü (The Futurist) çıkardı. 2005'ten bu yana film yapımcısı Susan Downey ile evlidir.