Роберт Джон Дауни-младший родился в Нью-Йорке в семье культового режиссёра и актёра Роберта Дауни-старшего и актрисы Элси Форд. В детстве, по его словам, он был «окружён наркотиками» и с позволения отца начал курить марихуану в возрасте 6 лет. Одновременно с этим он сыграл небольшие роли в абсурдистских комедиях Дауни-старшего «Загон» (1970) и «Дворец Грисера» (1972), а в возрасте 10 лет жил в Англии и изучал классический балет. В 1982 году Дауни бросил школу и вернулся в Нью-Йорк с целью начать полноценную актёрскую карьеру, после чего несколько лет выступал на театральной сцене.
В середине 1980-х Дауни появился в череде молодёжных комедий и драм, в число которых вошли «Стенка на стенку» (1985), «Ох уж эта наука» (1985), «Специалист по съёму» (1987) и «Меньше, чем ноль» (1987). Роль отчаявшегося подростка-наркомана в последнем фильме стала его прорывом, за которым последовали звёздные голливудские ленты «Шансы есть» (1989), «Эйр Америка» (1990) и «Большая пена» (1991).
Вслед за этим Дауни исполнил главную роль в биографической драме «Чаплин» (1992), за которую получил награду Британской киноакадемии и был номинирован на «Оскар». В число следующих фильмов с его участием вошли эпическая драма Роберта Олтмена «Короткие истории» (1993), романтическая комедия «Только ты» (1994), культовая криминальная картина Оливера Стоуна «Прирождённые убийцы» (1994) и шекспировская экранизация «Ричард III» (1995), в которой действие оригинальной трагедии было перенесено в Британию 1930-х годов.
С 1996 по 1999 год Дауни был несколько раз арестован за хранение кокаина, героина и марихуаны, и приговорён к тюремному заключению и принудительному лечению. В 2000 году, выйдя на свободу после года заключения, он присоединился к актёрскому составу популярного комедийного сериала «Элли Макбил»; за свою роль он получил лестные отзывы критиков, «Золотой глобус» и номинацию на «Эмми». Тем не менее, в ноябре 2000 и апреле 2001 года он был вновь арестован за хранение наркотиков и отправлен на лечение, едва избежав тюремного срока в 4 года и 8 месяцев.
Несмотря на то, что к осени 2001 года актёр избавился от зависимости, вернуться на экраны он смог лишь через два года, после того, как его близкий друг Мел Гибсон дал ему роль в своей комедийной драме «Поющий детектив» (2003). Его возвращением в мейнстрим стал мистический триллер «Готика» (2003), в котором он сыграл при условии, что 40% гонорара ему заплатят после съёмок и при отсутствии инцидентов, связанных с наркотиками. Успешно завершив работу над фильмом, в середине 2000-х Дауни сыграл череду тепло принятых ролей в таких картинах, как «Поцелуй навылет» (2005), «Доброй ночи и удачи» (2005), «Как узнать своих святых» (2006), «Помутнение» (2006), «Мех: Воображаемый портрет Дианы Арбус» (2006), «Зодиак» (2007) и «Солдаты неудачи» (2008). За роль в последнем фильме он был номинирован на «Оскар», премию BAFTA и многочисленные награды критиков.
С 2008 года Дауни является ведущим актёром киновселенной Marvel. Актёр сыграл свою теперь уже знаковую роль плейбоя-миллиардера Тони Старка в трилогии «Железный человек» (2008-2013), а также «Мстителях» (2012) и «Мстителях: Эре Альтрона» (2015), и вновь вернётся к роли в «Первом мстителе 3» (2016). Кроме того, в последние 7 лет он сыграл главную роль в «Шерлоке Холмсе» (2009) и его продолжении «Игра теней» (2011), получив «Золотой глобус» за первый фильм, а также появился в комедии «Впритык» (2010) и драмах «Солист» (2009) и «Судья» (2014).
В мае 1992 года Дауни женился на актрисе и певице Деборе Фальконер, и в сентябре 1993 года у пары родился сын Индио. Наркозависимость актёра стала тяжёлым испытанием для брака, и в 2001 году, вслед за последним арестом Дауни, Фальконер ушла от него. В 2005 году актёр женился на продюсере Сьюзан Левин, с которой познакомился на съёмках «Готики». В июле 2012 года у них родился сын Экстон Элиас Дауни, а в ноябре 2014 года — дочь Аври Роэль Дауни.
