Robert Downey Jr. est né à New York. Dans les années 2000 on l'a vu dans Kiss Kiss Bang Bang de Shane Black, avec Val Kilmer, Gothika de Mathieu Kassovitz et The singing detective, drame musical adapté du succès de la BBC réalisé par Keith Gordon, avec Mel Gibson et Robin Wright- Penn.
Il a joué depuis dans Lucky You de Curtis Hanson, The shaggy dog de Brian Robbins, et Fur de Steven Shainberg. En 1999, il a joué sous la direction de James Toback dans Black and White, après avoir tourné avec lui Two girls and a guy et The pick up artist. On l'a vu la même année dans Prémonitions de Neil Jordan. En 2000, il a partagé avec Steve Martin et Eddie Murphy la vedette de la comédie Bowfinger, roi d'Hollywood de Frank Oz et avec Michael Douglas et Tobey Maguire celle de Wonder boys de Curtis Hanson. Il a également été l'interprète des films Le don du roi de Michael Hoffman, Short cuts et The gingerbread man, tous deux de Robert Altman. Il a aussi joué dans Tueurs nés d'Oliver Stone et Pour une nuit de Mike Figgis.
Parmi ses premiers films figurent neige sur Beverly Hills de Marek Kanievska, A fond la fac d'Alan Metter, Quartier chaud de Fritz Kiersch, Une créature de rêve de John Hughes, First born de Michael Apted, puis U.S. marshalls de Stuart Baird, Week-end en famille de Jodie Foster, Hugo Pool, réalisé par son père, Robert Downey Sr. On l'a vu dans Hearts and soul de Ron Underwood, Soapdish de Michael Hoffman, Air America de Roger Spottiswoode, Le ciel s'est trompé d'Emile Ardolino, Coupable ressemblance de Joseph Ruben, Johnny be good de Bud S. Smith, Richard III de Richard Loncraine et 1969 d'Ernest Thompson. Il a débuté dans le film de son père, Pound. Il a réalisé et interprété le documentaire The Last Party.
Robert Downey Jr. a fait ses débuts dans la télévision en prime time lorsqu'il a rejoint la distribution de la série Ally McBeal, dans laquelle il joue l'attorney Larry Paul. Il a remporté pour son interprétation le Golden Globe du Meilleur Acteur dans un second rôle, et le Screen Actors Guild Award.
En 2006 il est à l'affiche du film de et avec Goerge Clooney, Good night and good luck, et du Raymond de Brian Robbins, ainsi que de A scanner darkly de Richard Linklater. Inspiré des expériences du légendaire auteur de science-fiction Philip K. Dick, A scanner darkly est une parabole tragi-comique sur l'usage de la drogue dans le monde moderne. En 2008, il devient le super héros Iron Man pour le grand écran, joue dans L'Incroyable Hulk et Tonnerre sous les Tropiques de Ben Stiller. En 2009, on le retrouve face à Jamie Foxx dans Le Soliste de Joe Wright, avant d'être à l'affiche de Sherlock Holmes de Guy Ritchie aux côtés de Jude Law, le second volet de Iron man, réalisé par Jon Favreau.
En 2004, il a sorti son premier album, The Futurist, qui comprend notamment 8 chansons dont il est l'auteur.
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