Elle est d'origine irlando-américaine et a grandi dans le quartier irlandais de Bridgeport à Chicago. Son père est un vendeur de voiture et sa mère serveuse dans un bar.
Après avoir étudié à la "Chicago Academy for the Performing Arts", Robin Tunney s'installe à Los Angeles en 1990. Elle fait quelques apparitions dans les séries Corky, un adolescent pas comme les autres (1991) et Perry Mason (1992) ou Promo 96 (1993). Robin Tunney se fait remarquer en 1995 pour son interprétation d'une jeune fille suicidaire dans la comédie dramatique
Empire Records. Dès lors, elle se voit proposer des rôles principaux, comme dans
Dangereuse Alliance (1996) où elle joue les sorcières gothiques avec
Fairuza Balk,
Neve Campbell et Rachel True.
Elle est récompensée pour sa performance dans Niagara, Niagara à la Mostra de Venise 1997 par le prix de meilleure interprétation féminine.
Elle tourne ensuite avec
Arnold Schwarzenegger dans
La Fin des temps (1999) puis
Vertical Limit (2000), puis un premier rôle dans la comédie dramatique Cherish (2002). En 2005, elle apparaît dans le film The Zodiac.
Robin Tunney joue aussi à la télévision. Après un rôle de guest-star dans le pilote du
Dr House (2004), elle s'établit en 2005 dans Prison Break dans le rôle de Veronica Donovan. Elle décide de quitter la série après la première saison, pensant avoir fait le tour de son personnage. Veronica est le premier personnage principal à disparaître de la série.
Elle joue le rôle de Teresa Lisbon dans la série The Mentalist dont la deuxième saison a débuté le 30 août 2010 sur la chaîne francophone belge La Une (RTBF) et le 1er septembre 2010 sur TF1