В возрасте 20 лет в 1985 году Дауни-младший 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 Тобэка «Специалист по съёму». После нескольких работ в подростковых комедиях Роберт Дауни-младший заявил о себе ролью отчаявшегося подростка-наркомана в фильме «Меньше, чем ноль» (1987), ставшим культовым и успешным. В 1992 году, когда на экраны вышел фильм Ричарда Аттенборо «Чаплин», в котором актёр сыграл легендарного комика, актёрская игра Дауни-младшего заслужила высокие оценки, и актёр удостоился премии BAFTA за лучшую мужскую роль, а также был номинирован на «Золотой глобус» и премию «Оскар» в категории «Лучшая мужская роль» (обе награды в тот год ушли к Аль Пачино за роль в фильме «Запах женщины»). Критика и публика называла Роберта Дауни-младшего одним из самых многообещающих актёров молодого поколения.

Дауни-мл. в 1990 году
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 Фальконер Дауни . Переломным событием в жизни Дауни оказалось знакомство с продюсером Сьюзан Левин на съёмках триллера «Готика», где он сыграл вместе с Хэлли 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» (приз был посмертно отдан Хиту Леджеру за фильм «Тёмный рыцарь»), номинацию на «Золотой глобус» и номинацию на приз Британской академии.

Дауни-младший и Рэйчел Макадамс на презентации фильма «Шерлок Холмс» в Сан-Диего
В конце 2009 года на экраны вышел фильм Гая Ричи «Шерлок Холмс», где в паре с Джудом Лоу, который играет доктора Ватсона, Роберт исполнил роль знаменитого 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». В 2011 году вышла вторая часть фильма про Шерлока Холмса — «Шерлок Холмс: Игра теней», где герой Дауни-младшего борется с профессором Мориарти.