Ír-olasz művészcsaládban jött világra New Yorkban, szüleinek válása után bohém édesanyja nevelte. Félénk, visszahúzódó gyerek lett, akit társai tejfölösszájúnak csúfoltak, első szerepe tízévesen a gyáva oroszlán volt az Óz, a csodák csodájában.

Helyét a színpadon találta meg, fellépett klubokban, bárokban, de játszott Csehovot is. A színi mesterséget Lee Strasberg legendás stúdiójában tanulta, 1968-tól Hollywoodban nagynevű rendezők felejthető filmjeiben játszott kisebb szerepeket. Az áttörést az hozta meg, amikor Francis Ford Coppola rábízta a fiatal Vito Corleone szerepét a Keresztapa 2-ben. Alakításáért 1974-ben a legjobb férfi mellékszereplőnek járó Oscar-díjat vehette át. Ezután világsikerek következtek: a Taxisofőr (1976), A szarvasvadász (1978), 1980-ban a Dühöngő bika főszerepéért megkapta második Oscarját is, immár főszereplőként. A bokszoló Jake La Motta hiteles megformálása érdekében egy időre családjával is megszakította a kapcsolatot, ökölvívók között élt inkognitóban és negyven kilót hízott.
 
De Niro minden szerepében a maximális hitelességre törekszik, a legkülönbözőbb karakterekkel képes tökéletesen eggyé válni. Kiválóan alakított gengsztert (Aki legyőzte Al Caponét, 1987), kómából ébredő beteget (Ébredések, 1990), tűzvédelmi nyomozót (Lánglovagok, 1991), pszichopata bűnözőt (A rettegés foka, 1991), nagy kedvvel komédiázott a Nem vagyunk mi angyalokban (1990) és a Csak egy kis pánikban (1999). Rendezőként sikeresen debütált az önéletrajzi elemeket is tartalmazó Bronxi mese (1993) című filmmel, 1989 óta saját produkciós cége működik. A kritikusok egy idő óta szapulják, hogy a kihívásoknál már jobban kedveli a pénzt - ezen talán az a film változtathat, amelyben Al Pacinóval veterán detektívként erednek a bűnözők nyomába.

De Niro ma is Hollywood egyik legkeresettebb sztárja, nem ritka, hogy évente négy-öt filmben is játszik. Érdekesség, hogy pályafutása alatt kosztümös szerepet alig vállalt. Számos kitüntetése között van egyebek között a Becsületrend lovagja cím és az Amerikai Filmintézet életműdíja.

A sztár nem sok sikerrel próbálja óvni magánéletét a szenzációra éhes bulvárlapok elől. Jelenleg harmadik házasságában él, összesen hat gyermeket nevel, a házasságon kívül születettekről is gondoskodik. Közismert róla, hogy nem tud ellenállni a fekete bőrű, párductestű nőknek. Interjút ritkán ad, ha mégis, válaszai az "igen" és "nem" szavakra korlátozódnak.