Роберт Дауни-мл. родился в Манхэттене, Нью-Йорк, младший из двух детей. Его отец — Роберт Дауни-старший — режиссёр, актёр и продюсер, а его мать — Элси (в девичестве Форд) — тоже актриса. У отца Дауни ирландское и русско-еврейское происхождение, а у матери немецкое и шотландское происхождение. Его отец родился с именем «Роберт Элиас», но изменил свою фамилию на «Дауни» (как у его отчима Джеймса Дауни), когда он был несовершеннолетним и хотел поступить на службу в армии.
У Дауни были небольшие роли в проектах своего отца в детстве. Он дебютировал в кино в возрасте пяти лет и играл больного щенка в фильме «Загон» (1970), затем в возрасте семи лет снялся в «Дворце Грисера» (1972). В возрасте 10 лет, он жил в Англии и изучал классический балет, как часть более крупной программы. Он вырос в Гринвич-Виллидже и учился в учебном центре исполнительских искусств «Stagedoor Manor» в северной части штата Нью-Йорк, когда был подростком. Когда его родители развелись в 1978 году, Дауни переехал в Калифорнию со своим отцом, но в 1982 году он покинул среднюю школу Санта-Моники и переехал в Нью-Йорк, чтобы продолжить актёрскую карьеру.
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 Тобака «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), ставшем 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 номинации на премию «Оскар» в категории «Лучшая мужская роль» (приз в тот год ушёл к Аль Пачино за роль в фильме «Запах женщины»). 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» (приз был посмертно отдан Хиту Леджеру за фильм «Тёмный рыцарь»), 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 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». Ожидается также выход второй части фильма про Шерлока Холмса, где герою Дауни-младшего придётся схватиться с профессором Мориарти.
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.