Nato nel 1965 a New York, Robert Downey jr. è il più piccolo dei due figli avuti da suo padre, suo omonimo e anche lui attore e sua madre Elsie. Il vero cognome di suo padre in realtà era Elias, ma l'attore decise di adottare il cognome del suo patrigno, James Downey, per poter entrare nell'esercito.
L'infanzia di Robert, accanto a sua sorella più grande, Allyson, non è certamente convenzionale: per sua ammissione l'attore cresce "circondato dagli stupefacenti" che suo padre, un tossicodipendente, assumeva regolarmente, permettendo anche a suo figlio di fumare marijuana già quando aveva sei anni. Nonostante poi Downey sr. abbia dichiarato di essersi pentito delle sue discutibili scelte educative, suo figlio rivelerà in seguito che drogarsi, per lui e suo padre era un modo per confermare il loro legame affettivo. Ovviamente questo avrà conseguenze terribili sulla salute di Downey jr. che in seguito si ritroverà ad essere schiavo dell'alcool e degli stupefacenti.
Durante l'infanzia Robert intepreta qualche piccola particina nei film di suo padre, e nel 1978, quando i suoi divorziano, va a vivere con lui in California. Dopo aver abbandonato le superiori, nel 1982, Robert decise di trasferirsi a New York per dedicarsi a tempo pieno alla sua carriera di attore.
Dopo alcuni ruoli teatrali e la breve esperienza televisiva al Saturday Night Live - troncata quasi subito perchè lo show allora era in crisi e si decise di rinnovare il cast giudicato non adatto alla trasmissione - Robert prese parte ad alcuni film adolescenziali come Ultima occasione e La donna esplosiva, accanto alla bellissima Kelly le Brock, che l'anno prima aveva stregato il pubblico nei panni de La signora in rosso. Il primo ruolo da protagonista arrivò due anni dopo in Ehi... ci stai? e sempre nel 1987 interpretò anche un tossicodipendente in Al di là di tutti i limiti, adattamento di Less than Zero di Bret Easton Ellis, una performance che fu accolta positivamente dalla critica, ma che lo stesso Downey in seguito definì come il suo "fantasma del Natale futuro", citando Dickens e riferendosi alla sua imminente discesa nel vortice della droga.
A quel punto arrivarono ruoli più interessanti come in Uno strano caso, del 1989, quello in Air America, accanto a Mel Gibson e nella graffiante commedia Soapdish, del 1991, accanto a Kevin Kline, Whoopi Goldberg e Sally Field.
Nel 1992 Downey interpreta Charles Chaplin nella biopic sul grande attore firmata da Richard Attenborough - un ruolo per il quale si preparerà scrupolosamente, arrivando ad imparare a giocare a tennis con la mano sinistra - e a questo film fanno seguito una manciata di pellicole interessanti, tra cui Natural Born Killers, anche se in generale, gli anni Novanta, in modo particolare la seconda metà del decennio, fino ai primissimi anni Zero, saranno segnati dalle numerose vicissitudini giudiziarie legate alla tossicodipendenza dell'attore. Fu arrestato numerose volte, una delle quali nell'aprile del '96 - per possesso di cocaina, eroina e di arma da fuoco - e il mese seguente per essere entrato abusivamente nella casa di un vicino ed essersi addormentato nel suo letto. L'anno seguente, dopo aver mancato ad un controllo per verificare se si drogasse ancora, fu arrestato nuovamente e si fece quattro mesi di carcere a Los Angeles, episodio che si ripetè nel 1999. Al momento dell'arresto aveva finito di girare tutti i film per i quali era stato scritturato (tranne In Dreams, che ultimò prima di entrare in carcere) e dopo aver trascorso quasi un anno tra detenzione e ricovero in una struttura di recupero, Downey fu liberato su cauzione.
Nel 2000 entrò a far parte del cast di Ally McBeal e nonostante i riconoscimenti ottenuti per la sua interpretazione e il plauso della critica, in seguito Downey dicherò che in realtà la sua performance nella serie "era sopravvalutata" e che in quel periodo aveva letteralmente toccato il fondo con la sua tossicodipendenza, al punto che non gliene importava se avrebbe recitato ancora o no.
A conferma di questo, prima della conclusione della prima stagione di Ally McBeal, Downey fu arrestato nuovamente nell'autunno del 2000, ma non esitò a firmare per altri otto episodi della serie nonostante rischiasse di essere condannato da otto mesi a quattro anni di carcere. Pochi mesi più tardi, mentre era in libertà vigilata, Downey fu trovato dalla polizia di Los Angeles a vagare scalzo a Culver City, arrestato e rilasciato poco dopo nonostante dai test fosse evidente che aveva assunto cocaina.
Dopo quest'episodio il team produttivo e creativo di Ally McBeal decise di licenziare Downey dallo show - nonostante la sua presenza ne avesse sollevato i ratings - e di riscrivere gli script dei nuovi episodi. Anche Mel Gibson, che aveva scritturato Downey per una piece teatrale, dovette rinunciare alla sua collaborazione.
Dopo anni di abusi di sostanze stupefacenti, arresti, ricoveri in rehab, Downey tentò il rilancio della propria carriera nel 2001 con una partecipazione al video di Elton John I Want Love, e più avanti con ruoli in film come The Singing Detective, per il quale il suo amico Mel Gibson gli pagò l'assicurazione, che nessuna compagnia era disposta a concedergli. Per il suo ruolo in Gothica, il produttore Joel Silver fu disposto a scritturare Downey solo facendo mettere a contratto la clausola secondo la quale avrebbe trattenuto il 40% del suo salario nell'eventualità la sua tossicodipendenza avesse creato problemi durante la lavorazione del film. Una clausola che poi sarà ripresa anche in altri progetti futuri, nonostante Downey avesse ormai superato il problema.
Dopo il thriller soprannaturale interpretato accanto ad Halle Berry, Downey ottenne ulteriori ruoli secondari in pellicole indipendenti come Fur - Un ritratto immaginario di Diane Arbus, A Scanner Darkly - un oscuro scrutare e Good Night, and Good Luck, ma anche in titoli mainstream come l'avvincente thriller Zodiac, di David Fincher.
Nello stesso periodo l'attore pubblica anche il suo album d'esordio, The Futurist, per il quale ha disegnato la copertina insieme a suo figlio Indio e avrebbe dovuto pubblicare anche un'autobiografia con la HarperCollins, ma per quest'ultima decise poi di rinunciare all'offerta della casa editrice.
Il 2007 è un anno di svolta per Downey, che dopo tante interpretazioni secondarie in pellicole low-budget, ottiene finalmente un ruolo da protagonista e in un blockbuster come Iron Man, per il quale accetta di mettere su massa muscolare. Firmerà un contratto per girare altri due film della saga, e nei panni di Tony Stark-Iron Man farà un'apparizione anche ne L'incredibile Hulk e ne I vendicatori.
Al film di Favreau seguono un ruolo nelle commedie Tropic Thunder (che gli frutta una nomination ai Golden Globe e agli Academy Awards) e Parto col folle, nel drammatico biopic Il solista e in Sherlock Holmes, diretto da Guy Ritchie, per il quale girerà un sequel, sempre nel ruolo del detective che gli ha fruttato un Golden Globe nel 2010.
2024 Candidatura Miglior Attore non Protagonista (Oscar 2024) per Oppenheimer
2009 Candidatura Migliore attore non protagonista per Tropic Thunder
1993 Candidatura Miglior attore protagonista per Charlot
2010 Premio Migliore attore protagonista (commedia o musical) per Sherlock Holmes
2009 Candidatura Miglior attore non protagonista per Tropic Thunder
2001 Premio Miglior attore non protagonista (Miniserie serie o film per la tv) per Ally McBeal
1993 Candidatura Miglior attore protagonista (dramma) per Charlot
2009 Candidatura Migliore attore non protagonista per Tropic Thunder
2014 Candidatura Miglior eroe per Iron Man 3
2013 Premio Miglior combattimento
2023 Recitazione
2020 Recitazione, Produzione
2019 Recitazione
2017 Recitazione
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