Il est le fils de Robert Downey Sr., réalisateur et scénariste. Après des débuts prometteurs avec des rôles remarqués au théâtre, Downey Jr. débute au cinéma en 1985. Il connaît cependant une première période difficile, marquée par l'abus de drogues et des problèmes judiciaires qui le font passer devant les tribunaux à plusieurs reprises.
C'est en 2000 que Robert Downey Jr. obtient un rôle dans "Gothika", suivi d'un autre remarqué dans "Chaplin" de Richard Attenborough, qui lui vaut une nomination aux Oscars pour le meilleur second rôle masculin.
Cependant, c'est son retour dans l'univers Marvel en 2008 qui relance réellement sa carrière et qui lui permet d'atteindre un niveau de popularité inégalé auprès du grand public. En plus d'Inter Man, il est également la voix de Tony Stark / Iron Man dans les films d'animation "Les Super Héros sortent !" et "Avengers Assemble".
En 2019, Robert Downey Jr. annonce son départ du rôle d'Iron Man après l'avoir incarné pendant dix ans. Il est cependant revenu pour une dernière apparition dans les films "Doctor Strange in the Multiverse of Madness" et "Thor: Love and Thunder".
En dehors de Marvel, Downey Jr. a participé à des projets très diversifiés : des comédies ("Tropic Thunder", "Due Date"), des thrillers ("Sherlock Holmes", "The Judge") et même des films d'animation ("Ratatouille").
En plus de sa carrière d'acteur, Downey Jr. est également un musicien accompli qui joue de la guitare et de l'harmonica, ainsi qu'un écrivain qui a publié une autobiographie intitulée "The Bob Downey Show".
Il est marié à la productrice Susan Levin depuis 2005 et ils ont deux enfants.