Robert Redford est né à Santa Monica, en Californie. Il est le fils de Charles Robert Redford Sr et de Martha W. Hart. Son père est un laitier devenu comptable, originaire de Pawtucket, Rhode Island. Il a un demi-frère, William, issu d'un second mariage de son père. Robert Redford a des ancêtres français (il est l'un des nombreux descendants de Philippe de La Noye), anglais, écossais et irlandais.
Il entame une carrière professionnelle au théâtre dans les années 1950. Au début des années 1960, il commence à jouer pour différentes séries télé américaines. C'est tout naturellement qu'il passe au cinéma en tant qu'acteur. Du début des années 1960 jusqu'à la fin des années 1970, Redford joue principalement pour le cinéma. Le film La Poursuite impitoyable (1966) d'Arthur Penn le révèle au grand public.
En 1980, il réalise Des gens comme les autres, qui lance sa carrière de réalisateur. Il a réalisé Quiz Show,
Milagro.
En 1985, il partage la vedette avec Meryl Streep dans le multi-oscarisé (7 oscars dont meilleur film et meilleur réalisateur) Out of Africa de Sydney Pollack. Celui-ci le dirigera à sept reprises: Propriété interdite, Jeremiah Johnson, Nos plus belles années, Les Trois Jours du condor, Le Cavalier électrique, Out of Africa et Havana.
En 1992, après le succès de Et au milieu coule une rivière, il acquiert une immense propriété au Montana et est quasiment ruiné par cet achat. Elle sert maintenant au tournage de pratiquement tous les films américains ayant pour cadre la nature et les grands espaces.
Pour son thriller politique
Lions et agneaux (2007) , il retrouve Meryl Streep et met en scène Tom Cruise.
Il est aussi le président du Festival du film de Sundance et le créateur de la chaîne de télévision Sundance Channel.
Marié le 12 septembre 1958 à Lola Van Wagenen, il est père de 4 enfants : Scott (1959-1959) qui est mort à 5 mois (mort subite du nourrisson), Shauna (1960), David James (1962) et Amy (1970). Ils ont divorcé en 1985.
Il se remarie en juillet 2009 à Hambourg avec Sybille Szaggars, artiste peintre, sa compagne depuis 1996.
Robert Redford est également membre honoraire de l'ONG Green Cross International.