รอเบิร์ต เดอนิโร เริ่มการแสดงครั้งแรกในภาพยนตร์ เรื่อง The Wedding Party ของผู้กำกับชื่อดัง ไบรอัน เดอพัลมา ซึ่งได้รับคำชมจากนักวิจารณ์หลายสถาบัน และจากนั้นก็ได้แสดงใน The Godfather II (1974) ในบทวิโต คอร์ลีออเน่ ซึ่งเขาก็ได้รับรางวัลออสการ์สาขานักแสดงสมทบชายยอดเยี่ยม

ต่อมาในปี 1981 เขาได้รับรางวัลออสการ์เป็นตัวที่สองแต่ในสาขานักแสดงนำชายยอดเยี่ยม จากเรื่อง Raging Bull (1980) จากบท เจค ลาม็อตทา นอกจากนี้ เขายังได้รับการเสนอชื่อเข้าชิงออสการ์อีกถึง 4 ครั้ง จากผลงานในเรื่อง Taxi Driver (1976), Deer Hunter (1978), Awakenings (1990) และ Cape Fear (1991)

ผลงานการแสดงของเขาในยุคหลังๆ เช่น Jackie Brown (1997), Wag the Dog (1997) และ Great Expectations (1998) หลังจากนั้น เดอนิโรหันมาสวมบทที่เบา ๆ ลงบ้าง เช่นบทตลกในเรื่อง Analyze This ในปี 1999 และ The Adventures of Rocky and Bullwinkle ในปี 2000 หรือ Star Dust ในปี 2007 เป็นต้น