Mimo iż od młodych lat przejawiał zdolności aktorskie, to jednak początkowo Robert Duvall nie planował kariery artystycznej, ale sportową. Zmieniło się to dopiero, kiedy rozpoczął naukę w szkole średniej. Jeden z profesorów zauważył u niego zdolności aktorskie i namówił go do kształcenia się w tej dziedzinie. Po zakończeniu edukacji Duvall został wzięty do wojska i na dwa lata wysłany do Korei. Po powrocie do Stanów zamieszkał w Nowym Jorku w apartamencie, który wynajmował wraz ze swoim starszym bratem a także z kilkoma początkującymi aktorami, min. z Dustinem Hoffmanem. 

Początki kariery artystycznej Duvalla nie były łatwe. Mimo kilku pochlebnych recenzji, między innymi za rolę w przedstawieniu "A View From The Bridge", które było wystawiane na Broadwayu, aktor musiał imać się innych zajęć by zarobić pieniądze na życie. Wśród wielu zawodów, które w owym czasie wykonywał znalazły się takie jak: kierowca ciężarówki, pomywacz i urzędnik pocztowy. W 1962 roku Duvall zadebiutował na dużym ekranie w głośnej ekranizacji powieści Harper Lee "Zabić drozda". Rola, którą tam zagrał zwróciła na niego uwagę krytyków i rozpoczęła trwającą do dzisiaj karierę artysty. 

W 1969 roku Duvall wystąpił u boku Johna Wayne'a w obrazie "Prawdziwe męstwo". Rola ta przyniosła mu popularność już nie tylko krytyków, ale i szerokiej publiczności. Trzy lata później aktor stworzył doskonałą kreację w głośnym filmie "Ojciec chrzestny" a dwa lata później w jego kontynuacji. W 1979 roku Duvall zagrał w "Czasie Apokalipsy" Francisa Forda Coppoli. Rola, którą tam stworzył przeszła do historii a jego najsłynniejsza kwestia "kocham zapach napalmu o poranku" na zawsze zapisała się w pamięci wielu widzów. 

W 1975 roku zadebiutował jako reżyser obrazem "We're Not the Jet Set". Do dnia dzisiejszego Duvall wystąpił w ponad stu filmach tworząc mnóstwo doskonałych kreacji.