Ha esordito sul grande schermo, insieme al padre Robert Downey Sr. già all'età di cinque anni. Nel 1993 è stato candidato per la prima volta all'Oscar al miglior attore e ha vinto un premio BAFTA per l'interpretazione di Charlie Chaplin nel film Charlot. Nel 2000 si è unito al cast della serie TV Ally McBeal, grazie alla quale ha ricevuto un Golden Globe per il miglior attore non protagonista in una serie e lo Screen Actors Guild Award per il miglior attore in una serie commedia. Il suo personaggio è stato eliminato dalla serie quando l'attore è stato licenziato a causa di due arresti per droga avvenuti tra la fine del 2000 e l'inizio del 2001.
A partire dal 2008, Downey si è imposto all'attenzione internazionale grazie al ruolo del supereroe Iron Man, apparendo nei film del Marvel Cinematic Universe sia nel ruolo principale, sia come membro di un cast corale o in un cameo. Nel 2009 ha recitato nel film di Guy Ritchie, Sherlock Holmes, vincendo il Golden Globe per il miglior attore in un film commedia o musicale, e nel 2011, nel sequel Sherlock Holmes - Gioco di ombre.
Inoltre è stato protagonista in The Avengers, Avengers: Age of Ultron, Iron Man 3, Captain America: Civil War, Avengers: Infinity War e Avengers: Endgame, che fanno parte dei film con i maggiori incassi di sempre. Per tre anni consecutivi, dal 2012 al 2015, è stato in cima alla lista di Forbes tra gli attori più pagati al mondo, con una stima di circa 80 milioni di dollari tra giugno 2014 e giugno 2015. Nel 2023 ha recitato nel film di Christopher Nolan, Oppenheimer, vincendo l'Oscar al miglior attore non protagonista, il Golden Globe per il miglior attore non protagonista e il BAFTA al miglior attore non protagonista.
Nel 2025 è tornato nel Marvel Cinematic Universe, nel ruolo del Dottor Destino, con un cameo ne I Fantastici Quattro - Gli inizi, e sarà presente in Avengers: Doomsday nel 2026 e Avengers: Secret Wars nel 2027.
Biografia Infanzia e gioventù Suo padre è il regista Robert Downey Sr., che è ebreo e di origini irlandesi. La madre, Elsie Ann Ford, con ascendenze scozzesi, tedesche e svizzere, ha recitato in alcuni film del marito Downey Sr. Downey Jr. e sua sorella, Allyson, sono cresciuti nel quartiere di New York di Greenwich Village. Fin da bambino i rapporti con suo padre erano difficili, in quanto, già all'età di sei anni, lo ha spinto a fumare marijuana. Per il padre, secondo Downey, fumare insieme a lui era l'unico modo per dimostrargli il proprio affetto, ma ciò lo ha portato, anche da adulto, ad avere problemi con l'alcol e la droga.
Durante l'infanzia ha recitato in diversi film diretti dal padre. Ha fatto il suo esordio all'età di cinque anni nel film Pound, interpretando un cucciolo, e successivamente, a sette anni, è stato nel cast di Greaser's Palace. All'età di 10 anni, mentre abitava a Londra, ha frequentato la Perry House School a Chelsea e ha studiato danza classica. Dopo il divorzio dei genitori, avvenuto quando lui aveva 13 anni, si è trasferito con il padre in California, dove ha frequentato la Santa Monica High School. A 17 anni, nel 1982, è tornato a New York per studiare performance art alla Stagedoor Manor. Downey e Kiefer Sutherland, che hanno recitato insieme per 1969 - I giorni della rabbia, per tre anni sono stati coinquilini, quando si è trasferito nuovamente a Hollywood per intraprendere la carriera di attore.
Esordio e successo di critica (1983-1996)
Ha fatto il suo esordio al Joyce Theater nel 1983, nella produzione di American Passion di Norman Lear. Nel 1985 è entrato nel cast di Saturday Night Live, ma, dopo un anno di critiche, Downey, e la maggior parte del cast, sono stati rimpiazzati. Rolling Stone ha nominato l'attore come il peggiore membro del cast del SNL. Nello stesso anno ha fatto parte del cast di Ultima occasione, per poi interpretare la parte di un bullo nel film comico La donna esplosiva, diretto da John Hughes. Il suo primo ruolo da protagonista è stato con Molly Ringwald in Ehi... ci stai? nel 1987. Grazie a questi e altri film legati alla cultura degli adolescenti degli anni Ottanta, è stato inserito nel gruppo Brat Pack. Nel 1987 ha interpretato il ruolo di Julian Wells, un ricco ragazzo tossicodipendente che perde velocemente controllo sulla sua vita nel film, Al di là di tutti i limiti, tratto da Meno di zero, primo romanzo di Bret Easton Ellis. La sua elogiata performance gli ha aperto le porte per film come Uno strano caso, diretto da Emile Ardolino, Air America, con l'amico e collega Mel Gibson, e Bolle di sapone nel 1991.
Nel 1992 ha interpretato Charlie Chaplin in Charlot, per il quale si è preparato con gran cura, imparando a suonare il violino, giocare a tennis con la mano sinistra e a imitare la postura e le movenze di Chaplin, con un insegnante personale. Per il ruolo, Downey è stato candidato all'Oscar al miglior attore e al Golden Globe per il miglior attore in un film drammatico, vincendo il suo primo premio BAFTA al miglior attore protagonista nel 1993. Nel 1993 è apparso nel film 4 fantasmi per un sogno, con Alfre Woodard e Kyra Sedgwick e America oggi con Matthew Modine e Julianne Moore, con il quale si è aggiudicato la Coppa Volpi speciale al miglior cast alla Mostra internazionale d'arte cinematografica di Venezia e il Golden Globe Speciale per il miglior cast. Lo stesso anno è apparso anche in un documentario basato sulle campagne presidenziali del 1992 intitolato The Last Party, scritto da lui stesso.
Problemi di droga (1996-2001)
Tra il 1996 e il 2001 Downey è stato arrestato diverse volte con accuse legate al possesso e al consumo di droga, sostenendo diversi programmi di riabilitazione, ma senza successo. Nel giugno del 1996, è stato arrestato per possesso di eroina, cocaina e di una pistola .357 Magnum. Un mese dopo, in libertà per buona condotta, è stato arrestato per violazione di domicilio dopo essersi addormentato ubriaco nella casa del suo vicino, ed è stato condannato a tre anni di libertà condizionale con obbligo di test di droga periodici. Nel 1997 ha saltato un test ed è stato condannato a sei mesi di detenzione nella Los Angeles County Jail. Nel 1998 sono stati distribuiti alcuni film ai quali ha preso parte: Two Girls and a Guy, Conflitto d'interessi e U.S. Marshals - Caccia senza tregua. Nel 1999 ha saltato un altro test, venendo arrestato un'altra volta. Difeso da John Stewart Holden, è stato condannato a una pena detentiva di tre anni presso una struttura riabilitativa californiana: il Corcoran II. Al momento dell'arresto, erano pronti diversi progetti cinematografici, con l'eccezione di In Dreams, che gli è stato permesso di completare. Era stato anche assunto per interpretare il diavolo in una serie animata della NBC, God, the Devil and Bob, ma è stato licenziato quando non è riuscito a presentarsi per le prove.
Nel 2000 è stato rilasciato anticipatamente dopo quasi un anno di detenzione. Una settimana dopo, Downey si è unito al cast della serie televisiva Ally McBeal, recitando accanto a Calista Flockhart. Per questa interpretazione, l'anno successivo, è stato candidato per un premio Emmy come migliore attore non protagonista in una serie commedia e ha vinto un Golden Globe come miglior attore non protagonista in una serie. Nonostante il successo, Downey ha ritenuto che la sua performance in quella serie è stata sopravvalutata e ha dichiarato: "Era il mio punto più basso in termini di dipendenza. A quel punto non mi importava se non avessi più recitato". È anche apparso come scrittore e cantante nell'album di Vonda Shepard con la colonna sonora di Ally McBeal; ha inoltre duettato con Sting, cantando Every Breath You Take, in un episodio della serie.
Prima della fine della prima stagione in Ally McBeal, è stato nuovamente arrestato per possesso di cocaina e Valium. Durante il processo, ha firmato comunque il contratto per comparire in almeno altri otto episodi. Nell'aprile 2001, mentre si trovava in libertà vigilata, un poliziotto lo ha trovato a vagare a piedi nudi nei pressi di Culver City, vicino a Los Angeles, sotto l'effetto di cocaina. Dopo questo ultimo arresto, il produttore David E. Kelley e altri dirigenti di Ally McBeal hanno deciso di riscrivere lo show e hanno licenziato Downey. L'arresto di Culver City gli è anche costato il ruolo nel film I perfetti innamorati. La successiva incarcerazione ha costretto Mel Gibson a chiudere la produzione teatrale programmata di Amleto, per cui Downey era stato scritturato nel gennaio 2001. Al processo nel luglio 2001 l'attore non è stato condannato, ma inviato in riabilitazione e in libertà vigilata per tre anni. Tutto ciò grazie a una legge, la "California Proposition 36", emanata l'anno prima per aiutare tossicodipendenti non violenti a superare le loro assuefazione, piuttosto che finire in carcere.
Ritorno (2001-2008)
Downey ha ottenuto il suo primo lavoro, dopo il processo, nell'agosto del 2001, nel video di I Want Love di Elton John, per la regia di Sam Taylor-Wood. Nel 2003, per intercessione di Mel Gibson, con il quale aveva lavorato in Air America, ha preso parte a The Singing Detective. Lo stesso anno, è stato nel cast di Gothika, prodotto da Joel Silver, con cui, tramite l'allora fidanzata Susan Levin, ha stretto un rapporto di amicizia e che lo ha aiutato a ottenere il ruolo in Kiss Kiss Bang Bang. Il 23 novembre del 2004, Downey ha pubblicato il suo album musicale di esordio, The Futurist, con l'etichetta Sony Classical, per il quale ha disegnato la copertina con il figlio Indio. L'album ha ricevuto recensioni contrastanti. Dopo Gothika, Downey ha ricoperto una serie di ruoli da protagonista e coprotagonista, anche in alcuni film semi-indipendenti: Guida per riconoscere i tuoi santi, Good Night, and Good Luck., A Scanner Darkly - Un oscuro scrutare, nel quale Downey ha interpretato proprio il ruolo di un tossicodipendente, e Fur - Un ritratto immaginario di Diane Arbus, diretto da Steven Shainberg, con Nicole Kidman.
Ha partecipato inoltre alla commedia thriller Kiss Kiss Bang Bang, diretta da Shane Black, e al film Disney Shaggy Dog - Papà che abbaia... non morde. Nel 2006, è stato un doppiatore guest star nel cartone I Griffin, nell'episodio Se non son matti, interpretando il personaggio di Patrick Pewterschmidt. Nello stesso anno ha firmato un contratto con la casa editrice, HarperCollins, per la scrittura di un libro di memorie. Nel 2008, tuttavia, ha restituito l'anticipo ricevuto, annullando il progetto. Nel 2007, è apparso nel film Charlie Bartlett e nel thriller di David Fincher Zodiac, basato sulla vicenda reale di un serial killer statunitense degli anni Sessanta e Settanta, il Killer dello Zodiaco, interpretando il ruolo del giornalista del San Francisco Chronicle Paul Avery.
Riconoscimento internazionale (2008-presente)