Robert Duvall se narodil v San Diegu v Kalifornii, jeho otec sloužil jako profesionální námořní důstojník. Během své rozsáhlé kariéry si zahrál rozmanité role, od kovbojů po vojáky. Studoval na Principia College v Illinois a během korejské války působil v armádě. Po návratu do civilního života se přestěhoval do New Yorku, kde se věnoval herectví pod vedením renomovaného učitele Sanforda Meisnera.
Jednou z nejvýraznějších rolí Duvalla byla postava Toma Hagena, tedy hlavního poradce klanu Corleonů, ve filmu Francise Forda Coppoly Kmotr. Za tento výkon získal svou první ze sedmi nominací na Oscara a o dva roky později si roli zopakoval ve snímku Kmotr II. Kvůli neshodám ohledně honoráře se však neobjevil v dlouho odkládaném pokračování Kmotr III.
Objevil se také ve vietnamském eposu režiséra Coppoly Apokalypsa z roku 1979. V něm ztvárnil roli podivínského podplukovníka Billa Kilgorea.
Během své kariéry se Duvall podílel na řadě významných filmů a televizních projektů, čímž si vybudoval pověst jednoho z nejuznávanějších herců své generace.
Nominován na Oscara byl také za snímky Velký Santini, Žaloba, Soudce a Apoštol, který také režíroval. Ocenění obdržel za roli ve snímku Něžné milosti, kde hrál country zpěváka na konci kariéry. Celkem si podle Reuters zahrál v téměř 100 filmech. Objevil se také v několika významných seriálech, za roli kovboje v seriálu Prolomená stezka získal v roce 2006 ocenění Emmy za televizní tvorbu.
Duvall byl čtyřikrát ženatý. S Barbarou Benjaminovou žil v letech 1964 až 1981, s Gail Youngsovou v letech 1982 až 1986, se Sharon Brophyovou v letech 1991 až 1995 a s Lucianou Pedrazou, kterou si vzal v roce 2005. Děti neměl. Poslední roky života strávil v Los Angeles, v Argentině, kde se narodila jeho čtvrtá manželka Luciana, a na téměř 150hektarové farmě ve Virginii.
