Robert Zemeckis est diplômé de l'Université de la Californie du Sud en cinéma-télévision. Il s'est très vite fait connaître en remportant un Oscar du cinéma du film étudiant pour son film A Field of Honor (1973) auquel ont succédé de nombreux films primés.
Il se démarque par une utilisation innovante des effets spéciaux, notamment dans Qui veut la peau de Roger Rabbit, dans lequel il combine dessin d'animation et prises de vue réelles.
En 1985, il réalise
Retour vers le Futur, le premier épisode d'une trilogie sur le voyage dans le temps, qui deviendra rapidement culte. Dans cette trilogie, qui a révélé Michael J. Fox, il associe des effets spéciaux révolutionnaires (dont les fameuses voitures volantes empruntées à Blade Runner) à un scénario riche et complexe.
Dans Forrest Gump, il place l'acteur Tom Hanks dans de nombreuses scènes d'archives historiques. Également dans La mort vous va si bien (Death becomes her) (1992) dans lequel jouent Goldie Hawn, Bruce Willis et Meryl Streep. Dans Le Pôle express, il a utilisé une technique révolutionnaire de capture de mouvements où les attitudes réelles des acteurs sont utilisées comme base pour des personnages animés.
Beowulf montre son intérêt pour les grandes sagas et la littérature anglo-saxonne (Shakespeare étant très souvent cité et utilisé).
Il a été nommé et a remporté de nombreuses récompenses, dont un Oscar en tant que meilleur réalisateur pour Forrest Gump (1994). Comme ses deux amis George Lucas et Steven Spielberg, Robert Zemeckis est un des plus grands « entertainers » du cinéma américain. Il a souvent travaillé en collaboration avec le compositeur Alan Silvestri, le scénariste Bob Gale, et les acteurs Christopher Lloyd et Tom Hanks.
En 1997, il fonde son propre studio, ImageMovers, renommé ImageMovers Digital en 2007 suite au rachat par la Walt Disney Company. En 2010, Disney décide de fermer le studio.