Figlio del regista Robert Downey Sr., il padre ha origini irlandesi ed è ebreo, ed il suo vero cognome è Elias (il cognome Downey non è di fantasia né d'arte: apparteneva a suo nonno); la madre Elsie Ford è tedesca, con ascendenze scozzesi, e Downey Jr. si autodefinisce "mezzo ebreo". È stato amico di infanzia di Richard Melville Hall (alias Moby). Ha una sorella maggiore, Allyson. Già da bambino, ebbe un rapporto molto difficile con il padre, che, all'età di sei anni, lo spinse a fumare marijuana. Per Downey, fumare insieme al padre, era l'unico modo per quest'ultimo di dimostrargli il suo affetto. Dopo il divorzio dei genitori, avvenuto quando lui aveva 11 anni, si diploma alla Stagedoor Manor, dopo aver interrotto la scuola a 17 anni per trasferirsi a New York ed intraprendere la carriera di attore.

Pound, regia di Robert Downey Sr. (1970)
Greaser's Palace, regia di Robert Downey Sr. (1972)
Moment to Moment, regia di Robert Downey Sr. (1975)
Up the Academy, regia di Robert Downey Sr. (1980)
Promesse, promesse (Baby It's You), regia di John Sayles (1983)
Firstborn, regia di Michael Apted (1984)
Ultima occasione (Tuff Turf), regia di Fritz Kiersch (1985)
La donna esplosiva (Weird Science), regia di John Hughes (1985)
A scuola con papà (Back to School), regia di Alan Matter (1986)
America, regia di Robert Downey Sr. (1986)
Ehi... ci stai? (The Pick-up Artist), regia di James Toback (1987)
Al di là di tutti i limiti (Less Than Zero), regia di Marek Kanievska (1987)
La grande promessa (Johnny Be Good), regia di Bud S. Smith (1988)
Rented Lips, regia di Robert Downey Sr. (1988)
1969 - I giorni della rabbia (1969), regia di Ernest Thompson (1988)
That's Adequate, regia di Harry Hurwitz (1989)
Verdetto finale (True Believer), regia di Joseph Ruben (1989)
Uno strano caso (Chances Are), regia di Emile Ardolino (1989)
Air America, regia di Roger Spottiswoode (1990)
Too Much Sun, regia di Robert Downey Sr. (1991)
Bolle di sapone (Soapdish), regia di Michael Hoffman (1991)
Charlot (Chaplin), regia di Richard Attenborough (1992)
4 fantasmi per un sogno (Heart and Souls), regia di Ron Underwood (1993)
America oggi (Short Cuts), regia di Robert Altman (1993)
Hail Caesar, regia di Anthony Michael Hall (1994)
Assassini nati (Natural Born Killers), regia di Oliver Stone (1994)
Only You - Amore a prima vista (Only You), regia di Norman Jewison (1994)
Riccardo III (Richard III), regia di Richard Loncraine (1995)
A casa per le vacanze (Home for the Holidays), regia di Jodie Foster (1995)
Restoration - Il peccato e il castigo (Restoration), regia di Michael Hoffman (1995)
Mr. Willowby's Christmas Tree, regia di Jon Stone - cortometraggio (1995)
Danger Zone, regia di Allan Eastman (1996)
Complice la notte (One Night Stand), regia di Mike Figgis (1997)
Two Girls and a Guy, regia di James Toback (1997)
Hugo Pool, regia di Robert Downey Sr. (1997)
Conflitto d'interessi (The Gingerbread Man), regia di Robert Altman (1998)
U.S. Marshals - Caccia senza tregua (U.S. Marshals), regia di Stuart Baird (1998)
In Dreams, regia di Neil Jordan (1999)
Friends & Lovers, regia di George Haas (1999)
Bowfinger, regia di Frank Oz (1999)
Black & White, regia di James Toback (1999)
Wonder Boys, regia di Curtis Hanson (2000)
Ally McBeal - serie TV, 25 episodi (2000-2002)
Auto Motives, regia di Lorraine Bracco - cortometraggio (2000)
Lethargy, regia di David Gelb & Joshua Safdie - cortometraggio (2002)
Whatever We Do, regia di Kevin Connolly - cortometraggio (2003)
The Singing Detective, regia di Keith Gordon (2003)
Gothika, regia di Mathieu Kassovitz (2003)
Eros, nel segmento "Equilibrium" diretto da Steven Soderbergh (2004)
Game 6, regia di Michael Hoffman (2005)
Kiss Kiss Bang Bang, regia di Shane Black (2005)
Good Night, and Good Luck., regia di George Clooney (2005)
Guida per riconoscere i tuoi santi (A Guide to Recognizing Your Saints), regia di Dito Montiel (2006)
Shaggy Dog - Papà che abbaia... non morde (The Shaggy Dog), regia di Brian Robbins (2006)
A Scanner Darkly - Un oscuro scrutare (A Scanner Darkly), regia di Richard Linklater (2006)
Fur - Un ritratto immaginario di Diane Arbus (Fur), regia di Steven Shainberg (2006)
Zodiac, regia di David Fincher (2007)
Le regole del gioco (Lucky You), regia di Curtis Hanson (2007)
Charlie Bartlett, regia di Jon Poll (2007)
Iron Man, regia di Jon Favreau (2008)
L'incredibile Hulk, regia di Louis Leterrier (2008)
Tropic Thunder, regia di Ben Stiller (2008)
Il solista (The Soloist), regia di Joe Wright (2009)
Sherlock Holmes, regia di Guy Ritchie (2009)
Iron Man 2, regia di Jon Favreau (2010)
Parto col folle (Due Date), regia di Todd Phillips (2011)
Sherlock Holmes - Gioco di ombre, regia di Guy Ritchie (2011)
The Avengers, regia di Joss Whedon (2012)