Er blieb bei seiner Rückkehr in die Staaten der Kunst treu und – motiviert von seiner Frau Lola Jean Van Wagenen, die er 1958 geheiratet hatte – schrieb sich schließlich im "Pratt Institute", einer renommierten Kunsthochschule im New Yorker Stadtteil Brooklyn ein, wo er unter anderem Theaterdesign studierte. Auf Vorschlag seines Lehrers ging er dann auf die "American Academy of Dramatic Art" und entdeckte seine Leidenschaft für die darstellende Kunst, die Schauspielerei. Er begann seine Schauspiellaufbahn Anfang der 60er Jahre am Theater und in verschiedenen Fernsehproduktionen. 1962 war er zum ersten Mal in "Hinter feindlichen Linien" (War Hunt) in einer Nebenrolle als junger Rekrut Roy Loomis auf der Leinwand zu sehen.
Nach den 1965 bzw. 1966 gedrehten Streifen "Verdammte süße Welt" (Inside Daisy Clover), "Ein Mann wird gejagt"¹⁾ (The Chase²⁾) und "Dieses Mädchen ist für alle" (This Property is Condemned)" kam 1967 seinen ersten größeren Erfolg als Paul Bratter neben Jane Fonda in der Neil Simon-Komödie "Barfuß im Park"²⁾ (Barefoot in the Park). Diese Hauptrolle, die Redford bereits 1963 mit Erfolg auf der Bühne gespielt hatte, legte den Grundstein für seinen kometenhaften Leinwand-Aufstieg. Er wurde zwar von Jane Fonda in diesem Film noch glatt an die Wand gespielt, konnte aber sein Image des "ausschließlich gutaussehenden jungenhaften Darstellers" bald ablegen. An der Seite von Paul Newman stieg er 1968 zum internationalen Star auf, als der gemeinsame Western "Zwei Banditen"¹⁾ (Butch Cassidy and the Sundance Kid²⁾) ein riesiger Erfolg an den Kinokassen wurde. Als Revolverheld Harry "Sundance Kid" Longabaugh katapultierte sich der gutaussehende Redford auf Anhieb in die erste Riege Hollywoods. Er gründete seine eigene Produktionsfirma "Wildwood Enterprises" und engagierte 1969 den noch unbekannten Regisseur Michael Ritchie für den Skifahrerfilm "Schussfahrt" (Downhill Racer), im gleichen Jahr folgte der Western "Blutige Spur"²⁾ (Tell Them Willie Boy Is Here) von Abraham Polonsky.

1970 spielte Robert Redford einen Motorradrennfahrer in "Stromer der Landstraße" (Little Fauss and Big Halsy), 1972 einen politisch engagierten Rechtsanwalt in "Bill MacKay – Der Kandidat"¹⁾ (The Candidate). Nach der Krimikomödie "Vier schräge Vögel"¹⁾ (1971, The Hot Rock2)) und dem beeindruckenden Western "Jeremiah Johnson"¹⁾ (1972) drehte er 1973 – wieder mit Paul Newman – die Gangsterkomödie "Der Clou"¹⁾ (The Sting²⁾), in dem er unter der Regie von George Roy Hill den Ganoven und Glücksspieler Johnny Hooker darstellte; die Rolle brachte Redford eine Oscar-Nominierung ein, der Film selbst wurde mit sieben Oscars ausgezeichnet, unter anderem für die "Beste Regie", die "Beste Musik" und das "Beste Drehbuch". Redford galt nach diesem Film und dem im gleichen Jahr gedrehten Erfolg bzw. seiner Titelrolle in "Der große Gatsby"¹⁾ (The Graet Gatsby²⁾) als der beliebteste Schauspieler Hollywoods.
Mit seinem außergewöhnlich guten Aussehen war der blonde, blauäugige Schauspieler vor allem für weibliche Verehrer der Inbegriff des männlichen Sexsymbols geworden. Der Starrummel wurde ihm jedoch bald zuviel und Redford zog sich 1975 nach dem Abenteuer "Tollkühne Flieger"¹⁾ (1974, The Great Waldo Pepper) und dem Thriller "Die drei Tage des Condors"¹⁾ (1975, Three Days of the Condor²⁾) für einige Zeit auf seine Ranch in Utah zurück. 1976 spielten er und Dustin Hoffman in dem Politthriller "Die Unbestechlichen"¹⁾ (All The President's Men²⁾) das Reporterduo Bob Woodward und Carl Bernstein, das die Watergate-Affäre aufdeckt, 1978 folgte Sydney Pollacks sehenswerte Westernkomödie "Der elektrische Reiter"¹⁾ (The Electric Horseman) mit Redford als abgewracktem Rodeoreiter und Jane Fonda als Partnerin.
 
In den 80ern verlagerten sich Redfords Interessen und immer seltener stand er selbst vor der Kamera, denn neben seinen darstellerischen Aufgaben wurde Redford auch hinter der Kamera aktiv. Zwischen 1980 und 1990 konnte man ihn in nur fünf Filmen auf der Leinwand erleben: In dem Gefängnisfilm "Brubaker"¹⁾ (1980, Brubaker²⁾), in dem Dreißigerjahre-Baseball-Epos "Der Unbeugsame"¹⁾ (1984, The Natural²⁾), in dem Oscar-prämiierten Tanja Blixen-Melodram "Jenseits von Afrika"¹⁾ (1985, Out of Africa²⁾), in der Krimikomödie "Staatsanwälte küsst man nicht"¹⁾ (1986, Legal Eagles²⁾) sowie in dem monumentalen Revolutionsdrama "Havanna"²⁾ (1990), in dem Redford, wie viele meinen, der falsche Mann für die Hauptrolle war und Sydney Pollack sich im Epischen verlor. Dafür jedoch startete Redford 1980 mit dem sensiblen Melodram "Eine ganz normale Familie"²⁾ (Ordinary People) eine nicht minder erfolgreiche Karriere als Regisseur und Produzent. Sein Regiedebüt bescherte Redford den ersten Oscar seiner Karriere sowie einen "Golden Globe". Er wartete dann jedoch acht Jahre, bis er 1988 seine zweite Regiearbeit präsentierte: "Milagro – Der Krieg im Bohnenfeld"¹⁾ (The Milagro Beanfield War2)); eine weitere vielbeachtete Arbeit hinter der Kamera wurde die Familienchronik "Aus der Mitte entspringt ein Fluss"¹⁾ (1991, A River Runs through It²⁾).
Anfang der 90er Jahre aber meldete sich der engagierte Umweltschützer Redford – er gründete das "Institute for Resource Menagement", das Forschern und Umweltschützern ein gemeinsames Forum bietet – als Darsteller auf der Leinwand zurück. Eindrucksvoll bewies er 1992 mit der Actionkomödie "Sneakers – Die Lautlosen"¹⁾ (Sneakers2)) und dem Melodram "Ein unmoralisches Angebot"¹⁾ (Indecent Proposal²⁾, mit Demi Moore) sowie 1996 mit dem Liebesfilm "Aus nächster Nähe"¹⁾ (Up Close and Personal²⁾, mit Michelle Pfeiffer), dass er längst noch nicht zum alten Eisen gehörte, sondern immer noch zum romantischen Helden taugte.
 
1998 dann war Redford neben Kirstin Scott Thomas als Hauptdarsteller und Regisseur des Abenteuerfilms "Der Pferdeflüsterer"¹⁾ (The Horse Whisperer²⁾) nach dem gleichnamigen Bestseller-Roman des englischen Newcomers Nicholas Evans auf der Leinwand zu sehen – wieder international ein riesiger Erfolg für den Schauspieler. Kaum war der Film endlich im Kasten, begann Redford bereits mit den Vorbereitungen seines nächsten Projekts, "Die Legende von Bagger Vance"¹⁾ (The Legend of Bagger Vance²⁾), ein Film, der 2000 mit Will Smith in der Titelrolle in die Kinos kam; hier war Redford Regisseur und Produzent in Personalunion. Nach der Hauptrolle in Rod Luries Drama "Die letzte Festung"¹⁾ (2001, The Last Castle²⁾) sowie der Figur des alternden Agenten Nathan D. Muir in dem Streifen "Spy Game – Der finale Countdown"¹⁾ (2001, The Spy Game²⁾), verkörperte er als nächstes ein Entführungsopfer: In dem Thriller "Anatomie einer Entführung"¹⁾ (The Clearing²⁾) stellt der Oscar-Gewinner einen reichen Unternehmer dar, der von einem früheren Angestellten gekidnappt und in einem Waldstück gefangenen gehalten wird. Die Ehefrau – gespielt von Helen Mirren – soll das Lösegeld für ihn beschaffen. Debüt-Regisseur Pieter Jan Bruegge begann Mitte September 2002 in North Carolina mit den Dreharbeiten, Kinostart war Ende Oktober 2003. Zu den letzten Arbeiten Redfords für das Kino zählt Lasse Hallströms sensible Familiengeschichte "Ein ungezähmtes Leben" (2005, An Unfinished Life²⁾) sowie das Polit-Drama "Von Löwen und Lämmern"²⁾ (2007, Lions for Lambs), mit dem Redford auch seine inzwischen siebte Regiearbeit ablieferte. Lediglich hinter der Kamera stand er für seinen neuesten Streifen "The Conspirator" (Der Verschwörer), mit dem er die wahren Ereignisse nach der Ermordung von US-Präsident Abraham Lincoln thematisiert; als deutscher Kinostart wird der 15. April 2011 genannt.
Geplant ist laut Medienberichten eine Hauptrolle in "Untitled Jackie Robinson Project", der Geschichte über den legendären amerikanischen Baseballspieler Jackie Robinson²⁾ (1919 – 1972), der bei den damaligen "Brooklyn Dodgers" berühmt wurde.
 
Mittlerweile gilt Robert Redford als einer der attraktivsten Schauspieler aller Zeiten und lebende Legende. Die Liste seiner Erfolge ist lang, fast 40 Kinohits als Darsteller, acht gefeierte Filme als Regisseur und zahlreiche Erfolge als Produzent. Dazu kommen verschiedenste Gastauftritte im Fernsehen, fünf Produktionen, in denen er als Erzähler fungierte, wie etwa in dem Dokumentarfilm "Zwischenfall in Oglala" (1992, Incident at Oglala) sowie Sprecherrollen wie in "Schweinchen Wilbur und seine Freunde" (2006, Charlotte's Web) nach dem gleichnamigen Kinderbuch von Elwyn Brooks White, wo er dem Pferd Ike seine Stimme lieh. 
Redford hat sich auch immer als Anwalt des unabhängigen Films verstanden. 1980 gründete er in Park City, Utah, das "Sundance Film Institute" als Workshop und Ausbildungsstätte für junge Filmemacher – eine Organisation, die sich der Unterstützung und der Entwicklung von Nachwuchsautoren und Regisseuren des nationalen und internationalen unabhängigen Kinos verschrieben hat. Längst ist das daraus entsprungene "Sundance Filmfestival" zum wichtigsten Treffpunkt und Markt für die "Independent"-Szene in den USA avanciert. 2005 erklärte Redford, dass er eine Kinokette für anspruchsvolle Filme gründen wolle, in denen Autorenfilme, ausländische Produktionen, Dokumentationen und Interviews mit Kinoschaffenden gezeigt werden sollen. Der Hollywood-Star, der am 18. August 2011 seinen 75. Geburtstag feierte und als Schauspieler bisher nie einen Oscar erhielt, wurde 2002 mit einem Ehren-Oscar für sein Lebenswerk ausgezeichnet.