1963年，罗伯特·德尼罗迎来了首个电影角色，在布莱恩·德·帕尔玛执导的喜剧电影《婚礼聚会》中出镜，但该片直到1969年才上映。
1968年，罗伯特·德尼罗主演了由布莱恩·德·帕尔玛执导的喜剧电影《帅气逃兵》，饰演想尽一切办法逃避上越南战场的士兵“乔恩·鲁宾”，从此开始了他的大银幕之旅。
1973年，罗伯特·德尼罗因在约翰·D·汉考克执导的剧情片《战鼓轻敲》中饰演一个头脑不灵光的棒球手而受到美国观众的关注；10月14日，与哈威·凯特尔、大卫·普罗瓦尔主演了马丁·西科塞斯执导的，表现纽约意大利移民生活的犯罪电影《穷街陋巷》上映，德尼罗在其中扮演在纽约意大利街区中混食的小流氓，为了出人头地而不择手段地打劫杀人，凭此角色获得了纽约影评家协会的最佳男主角奖。
1974年，与阿尔·帕西诺、罗伯特·杜瓦尔、黛安·基顿等主演了由弗朗西斯·福特·科波拉执导的黑帮电影《教父2》，他饰演了性格复杂的青年时代教父“维托·柯里昂”，由此获得了第47届奥斯卡金像奖最佳男配角。
1976年，罗伯特·德尼罗搭档朱迪·福斯特，主演了由马丁·斯科西斯执导的剧情片《出租车司机》，德尼罗饰演了历经周折的平民加英雄式的出租车司机“拉维斯”，为了拯救一个雏妓而大开杀戒。影片上映后受到欢迎，德尼罗在其中的朋克发式也引得美国年轻人仿效，德尼罗凭借此片获得第49届奥斯卡金像奖最佳男主角提名。
1977年，与丽莎·明尼里携手，出演了马丁斯科塞斯执导的爱情电影《纽约，纽约》，罗伯特·德尼罗饰演很会与人交流的小混混“多伊尔”。
1978年，罗伯特·德尼罗与克里斯托弗·沃肯、梅丽尔·斯特里普等主演了由迈克尔·西米诺执导的战争片《猎鹿人》，刻画了从越战中生还，但心灵恶梦不断的钢铁工人“迈克尔”，因此角色获得了第36届美国电影电视金球奖、第51届奥斯卡金像奖和第33届英国电影和电视艺术学院奖最佳男主角提名。
1980年，罗伯特·德尼罗主演了根据前世界中量级拳王杰克·拉莫塔的真实经历改编的传记电影《愤怒的公牛》，他饰演的老拳击手“杰克·拉莫塔”为他赢得了第53届奥斯卡金像奖最佳男主角奖。
1984年2月17日，与詹姆斯·伍兹、伊丽莎白·麦戈文、塔斯黛·韦尔德等主演的剧情片《美国往事》上映，罗伯特·德尼罗饰演有善恶感和正义感的黑道人物“面条”； 11月21日，罗伯特·德尼罗与梅丽尔·斯特里普主演的由乌卢·格罗斯巴德执导的爱情电影《信是有缘》（又名《堕入情网》）上映，他刻画了试用邦克威燃爱火的热情与无奈的有妇之夫“法兰克”。
1985年，罗伯特·德尼罗与乔纳森·普雷斯、麦克·帕林等主演了由特里·吉列姆执导的科幻电影《妙想天开》，其饰演电器修理工“达托”。
1988年，罗伯特·德尼罗搭档查尔斯·格罗丁，主演了由马丁·布莱斯特执导的犯罪喜剧《午夜狂奔》，饰演赏金猎人“杰克·沃尔什”。
1991年，与尼克·诺特、杰西卡·兰格主演了由马丁·斯科塞斯翻拍的惊悚悬疑电影《恐怖角》，德尼罗饰演了他首个反派角色—因强奸罪入狱十四年的“卡迪”。
1993年，罗伯特·德尼罗首次尝试自导自演了犯罪电影《布朗克斯的故事》，影片聚焦纽约意大利裔街区，获第50届威尼斯国际电影节主竞赛单元金狮奖提名。
1994年，尝试转型的罗伯特·德尼罗监制并出演了根据欧洲文学史第一部科幻小说改编的科幻电影《玛丽·雪莱的弗兰肯斯坦》，尽管电影力求忠实于原作，但德尼罗的演出却招致一些影评人的批评。
1995年11月22日，罗伯特·德尼罗与莎朗·斯通合作出演的由马丁·斯科塞斯的犯罪电影《赌城风云》上映，在片中饰演了拉斯维加斯赌场大亨“萨姆·艾斯·罗思坦”； 12月15日，由迈克尔·曼自编自导的犯罪电影《盗火线》上映，罗伯特·德尼罗与阿尔·帕西诺再度携手，饰演罪犯与警察。
1999年，罗伯特·德尼罗与比利·克里斯托、丽莎·库卓主演了由哈罗德·雷米斯执导的犯罪喜剧电影《老大靠边闪》，饰演患有心理疾病的纽约黑社会老大“保罗”。 1998年，拍摄动作片《浪人》 。
2000年6月24日，监制并主演的动画喜剧电影《飞鼠洛基冒险记》上映，罗伯特·德尼罗在片中饰演了漫画书中的“无畏大魔头”； 10月6日，罗伯特·德尼罗搭档本·斯蒂勒主演的喜剧电影《拜见岳父大人》上映，其饰演了本·斯蒂勒的未来岳父JackByrnes 。
2001年3月1日，与爱德华·伯恩斯、凯尔希·格兰莫和艾弗利·布鲁克斯联袂出演的惊悚动作片《千钧一刻》上映，罗伯特·德尼罗在片中饰演负责侦破谋杀案件的警官“艾迪·弗莱明”； 罗伯特·德尼罗与爱德华·诺顿合作，主演的由弗兰克·奥兹执导的动作片《大买卖》上映，其饰演了偷窃老手“尼克”。
2002年4月，罗伯特·德尼罗在纽约翠贝卡地区创办了以发掘独立电影为核心的“翠贝卡电影节”。
2003年，罗伯特·德尼罗获得第32届美国电影学会终身成就奖。
2004年9月10日，由毕鲍·鲍格朗、维姬·詹森、罗伯·莱特曼联合执导的3D动画片《鲨鱼故事》上映，罗伯特·德尼罗为鲨鱼黑帮的老大“里诺”配音； 12月22日，罗伯特·德尼罗再次与本·斯蒂勒、达斯汀·霍夫曼合作，主演了喜剧电影《拜见岳父大人》的续集《拜见岳父大人2》。
2005年，罗伯特·德尼罗与达科塔·范宁主演了由约翰·波尔森执导的惊悚电影《捉迷藏》，饰演达科塔·范宁的父亲“大卫”。影片上映3天，票房即达到2200万美元。
2006年，罗伯特·德尼罗继《布朗克斯的故事》后，执导了其第二部电影《特务风云》，把中央情报局创始人之一爱德华·威尔逊的故事搬上了银幕。
2007年，罗伯特·德尼罗与米歇尔·法伊弗、查理·考克斯等主演了由马修·沃恩执导的魔幻电影《星尘》，饰演外表冷酷无情的太空海盗“莎士比亚船长”。
2008年9月12日，罗伯特·德尼罗与阿尔·帕西诺继《盗火线》后再次携手合作，主演了由琼·阿弗内特执导的《正义杀戮》，饰演绰号“老顽童”的警察“托马斯·考万”； 10月17日，与西恩·潘、布鲁斯·威利斯主演的讽刺喜剧《即时发生》上映，罗伯特·德尼罗饰演一个江河日下的制片人“本”。
2010年，继2001年合作《大买卖》后，罗伯特·德尼罗与爱德华·诺顿再次合作，并携手米拉·乔沃维奇，主演了约翰·卡兰执导的惊悚剧情片《危狱惊情》，饰演即将退休的假释官“杰克·梅伯里”； 12月17日，确认加盟黑帮电影《爱尔兰人》 ；22日，由保罗·韦兹执导的喜剧电影《拜见岳父大人3》上映，本·斯蒂勒饰演的可怜女婿“格雷格”历经岳父罗伯特·德尼罗的各种误解和秘密任务等考验后终于得到认可。
2011年1月16日，罗伯特·德尼罗获得第68届美国电影电视金球奖终身成就奖； 3月18日，罗伯特·德尼罗与布莱德利·库珀、艾比·考尼什联袂主演的惊悚电影《永无止境》上映，饰演了华尔街大亨“卡尔·范·鲁恩”； 9月23日，和杰森·斯坦森、克里夫·欧文主演的犯罪动作电影《杀手精英》上映，罗伯特·德尼罗饰演杰森·斯坦森的特战导师“亨特”。
2012年11月16日，由大卫·O·拉塞尔执导，布莱德利·库珀，詹妮弗·劳伦斯主演的爱情喜剧电影《乌云背后的幸福线》上映，罗伯特·德尼罗在片中饰演布莱德利·库珀嗜好赌球的老爸。
2013年9月13日，罗伯特·德尼罗与米歇尔·菲佛、迪安娜·阿格隆领衔主演的由吕克·贝松执导的动作喜剧片《别惹我》，其在片中饰演了难缠且恐怖的黑帮家庭老家长“弗莱德”； 11月1日，搭档摩根·弗里曼、迈克尔·道格拉斯、凯文·克莱恩主演的喜剧电影《最后的维加斯》上映，罗伯特·德尼罗饰演倒霉蛋“派迪”。
2014年2月8日，与安妮海瑟薇合作出演电影《实习生》 ，28日，参演电影《包裹男人》在美国上映 ，9月1日，与莱昂纳多·迪卡普里奥、布拉德·皮特拍摄一部于赌博题材的短片 ；11月12日，确认出演大卫·O·拉塞尔的新片《乔伊的发明》，饰演女主角乔伊的父亲 。
2015年9月11日，出演HBO电影《谎言巫师》，饰演臭名昭著的金融家麦道夫 ；22日，主演电影《实习生》（TheIntern）在美国举行纽约首映礼 ，影片定于9月25日登陆北美院线，罗伯特在片中饰演退了休但人脉强大的实习生“本·惠特克”。 11月13日，主演的动作电影《抢劫》在美国上映 ；18日，与好莱坞女星詹妮弗·安妮斯顿联袂主演影片《谐星》，在片中扮演一位言辞辛辣的喜剧脱口秀演员 （喜剧人）
2016年5月16日，罗伯特·德尼罗主演电影《顽石之拳》在戛纳电影节首映 ，10月5日，与戏骨克里斯托弗·沃肯加盟蒂姆·希尔执导的喜剧片《祖父大战》 。
2017年5月20日，主演的电影《欺诈圣手》在美国上映 ；7月13日，凭借《欺诈圣手》获得第69届艾美奖提名 。12月11日，凭借《欺诈圣手》获得第75届金球奖提名 。
2018年，商谈加盟电影《小丑》，扮演一位脱口秀节目主持人，影片定档2019年10月4日上映
2019年，出演动作喜剧片《TheComebackTrail》，在片中饰演一位欠黑帮老大债的人麦克斯·巴伯 ；11月27日，主演的电影《爱尔兰人》正式上线流媒体平台Netflix ；同年12月，被“卫报”评为“2019年度十佳男演员”。
2020年，获得第26届演员工会奖终身成就奖 。
2021年1月，主演Netflix新片《方程式赛车》。
