Duvall a rămas în memoria cinefililor mai ales ca locotenent-colonelul Kilgore din Apocalypse Now, rol care a dat cinemaului replici devenite legendare, precum „Charlie don’t surf!” și „I love the smell of napalm in the morning”. Un alt personaj definitoriu a fost Tom Hagen, consigliere-ul familiei Corleone în The Godfather Part II, iar la începutul carierei a atras atenția cu Boo Radley în To Kill a Mockingbird.
De-a lungul unei filmografii care a mers de la clasic la blockbuster (inclusiv Gone in 60 Seconds), Duvall a fost nominalizat de șapte ori la Oscar și a câștigat o dată, pentru rolul principal din Tender Mercies.
Născut în San Diego, California, în 1931, fiu al unui ofițer de marină, a studiat teatrul la colegiu în St Louis, Missouri, și a petrecut o scurtă perioadă în armată. În 1955 a urmat cursurile Neighborhood Playhouse School of the Theatre din New York, unde a fost coleg cu James Caan, Gene Hackman și Dustin Hoffman.
A lucrat constant în televiziune și teatru, inclusiv într-o montare premiată a piesei A View from the Bridge de Arthur Miller, regizată de Ulu Grosbard. În cinema, a colaborat cu Francis Ford Coppola (în The Rain People) și a jucat rol principal în debutul lui George Lucas, THX 1138.
În paralel cu marile titluri, a rămas o prezență puternică în roluri de caracter și în filme precum The Eagle Has Landed, Network și The Natural. A debutat și ca regizor cu Angelo, My Love, iar în anii ’80–’90 a apărut, între altele, în Colors (regizat de Dennis Hopper), Days of Thunder cu Tom Cruise și adaptarea The Handmaid’s Tale după Margaret Atwood.
În 1992, Robert Duvall a revenit pe micul ecran într-un rol surprinzător: l-a interpretat pe Joseph Stalin într-o producție HBO premiată, regizată de Ivan Passer.
Un alt moment major al carierei sale a venit în 1997, când a semnat a doua sa regie, The Apostle, unde a jucat un predicator care își ucide rivalul amoros. Rolul i-a adus a treia nominalizare la Oscar pentru „cel mai bun actor”.
Duvall a mai regizat încă două filme: Assassination Tango, în care și-a etalat talentul real pentru dansul argentinian, și westernul Wild Horses. În paralel, a rămas extrem de activ ca actor, apărând în producții foarte diverse, de la thrillerul The Gingerbread Man la drama We Own the Night și ecranizarea The Road.
Pasiunea sa de-o viață pentru fotbal l-a dus și către roluri legate de acest sport: drama scoțiană A Shot at Glory (în care a jucat alături de Ally McCoist) și comedia Kicking and Screaming cu Will Ferrell.
În anii 2010, a continuat să lucreze constant, iar în 2015 a obținut încă o nominalizare la Oscar, de data aceasta pentru „cel mai bun actor în rol secundar”, datorită filmului The Judge, devenind atunci cel mai vârstnic actor nominalizat la această categorie.
În viața personală, a fost căsătorit de patru ori: cu Barbara Benjamin (1964–1981), Gail Youngs (1982–1986), Sharon Brophy (1991–1995) și Luciana Pedraza, cu care s-a căsătorit în 2005. Nu a avut copii.