Natif de la Californie du sud, Robert Selden Duvall est le second des trois fils de l'amiral William Howard Duvall. Très jeune, il est poussé par ses parents vers une carrière de comédien. C'est ainsi qu'il part pour New York après être sorti diplômé en arts dramatiques du Principia College, dans l'Illinois, et qu'il débute sur les planches de Broadway en 1955. Il étudie sous la tutelle de l'acteur Sanford Meisner au théâtre du Neighborhood Playhouse. Sa performance dans la pièce Vu du pont en 1957 est, selon Robert Duvall lui-même, la clé qui lui ouvrira les portes d'une brillante carrière cinématographique.
En 1963, il décroche son premier rôle au grand écran aux côtés de Gregory Peck, en interprétant Boo Radley, l'effrayant voisin attardé qui finit par sauver les enfants Du silence et des ombres. Un an plus tard, il retrouve la star de Moby Dick dans Le Combat du Capitaine Newman, où il joue cette fois le rôle du capitaine Paul Cabot Winston. Flic new-yorkais homophobe dans Le Détective (1968) ou chauffeur de taxi dans Bullitt (id.), il trouve un puissant accélérateur pour sa carrière en la personne de Francis Ford Coppola. C'est en effet sous sa direction qu'il trouve ses plus beaux rôles : un flic arrogant, au coeur tendre dans Les Gens de la pluie (1969), l'avocat confident des Parrains Marlon Brando (1972) et Al Pacino (1974), un directeur qui court à une mort certaine dans Conversation secrète (id.) ainsi que l'inoubliable lieutenant colonel William "Bill" Kilgore dans la fresque Apocalypse Now (1979), une prestation pour laquelle il remporte le Golden Globe du Meilleur second rôle.
Robert Duvall collabore avec d'autres cinéastes de renom comme Robert Altman (le satirique M.A.S.H. en 1970), George Lucas (le futuriste THX 1138 en 1971), Sam Peckinpah (Tueur d'élite en 1975) ou encore Sidney Lumet (Network en 1976). Composant un brillant tandem avec Robert De Niro dans le film policier Sanglantes confessions (1981), il est oscarisé en 1983 pour son rôle d'ancien chanteur de country alcoolique dans Tendre bonheur, un drame de Bruce Beresford dont il a lui-même composé les chansons. Archétype du dur au coeur tendre, il collectionne les rôles de flic sympathique, que ce soit aux côtés de Sean Penn (Colors, 1988) ou face à Michael Douglas (Chute libre, 1993) et Denzel Washington (John Q, 2002), et fait souvent figure de mentor pour la jeune génération (Tom Cruise dans Jours de tonnerre, Nicolas Cage dans 60 secondes chrono, Eric Bana dans Lucky You, Joaquin Phoenix dans La Nuit nous appartient). En 1989, il joue dans la mini série télé Lonesome Dove, qui montre deux anciens Texas Rangers qui décident de convoyer du bétail jusqu'au Montana, distant de plus de 4000 kms. Sa prestation lui vaut le Golden Globes de meilleur acteur dans un téléfilm, et une nomination aux Emmy Awards, les Oscar de la télé américaine.
A plus de 60 ans, Robert Duvall continue à tourner avec une régularité exemplaire et dans des registres divers (Phénomène, Deep Impact, A l'aube du 6ème jour, Open Range, Thank You for Smoking...). Fort de cette expérience devant la caméra, il se met lui-même en scène dans le très remarqué Prédicateur en 1997 et en tueur à gages passionné de tango dans Assassination Tango en 2004. Après avoir été le père pour le moins compétitif de Will Ferrell dans la comédie familiale Match en famille, puis celui de Vince Vaughn dans Tout... sauf en famille. Après une apparition brève mais bouleversante dans La Route (2009), et un caméo clin d’œil à son rôle de Tendre bonheur dans Crazy Heart, il joue dans Get Low, inspiré d’une histoire vraie, un vieil ermite mystérieux dans les États-Unis des années 30 lui vaudra plusieurs nominations du meilleur acteur.
Après une apparition brève mais bouleversante dans La Route (2009), et un caméo clin d’œil à son rôle de Tendre bonheur dans Crazy Heart, il joue dans Get Low, inspiré d’une histoire vraie, un vieil ermite mystérieux dans les États-Unis des années 30 lui vaudra plusieurs nominations du meilleur acteur. Jamais fatigué, Duvall prouve qu'il est encore en forme, monte à cheval, et bouleverse les certitudes d’un jeune homme dans Seven Days in Utopia (2011).
Le comédien côtoie Tom Cruise en 2012 dans le film d'action Jack Reacher avant de s'illustrer dans Le Juge en 2014. Il y donne la réplique à Robert Downey Jr, qui incarne son fils. L'acteur travaille ensuite deux fois de suite avec James Franco dans Wild Horses (que Duvall réalise aussi) et In Dubious Battle (mis en scène et interprété par Franco).
Robert Duvall, souvent raillé comme "l’éternel second rôle d’Hollywood", mérite par sa carrière et son talent, une place d’honneur dans le panthéon du cinéma.