Medzi jeho známe premeny patrí napríklad film Zúriaci býk, pre ktorý pribral 27 kilogramov, pre film Mys hrôzy si dal vybiť predné zuby a vďaka úlohe vo filme New York, New York sa naučil hrať na saxofóne. I napriek tomu, že odborníci tvrdia, že De Niro nie je veľmi zručný vo vyjadrovaní, jeho pozorovacie schopnosti jemných ľudských tikov sú dokonalé.
Herec začal hrať divadlo už ako osemročný v školských súboroch, po skončení strednej školy študoval herectvo pod vedením S. Adlerovej a L. Strasberga v Actors´ Studio. Potom hral na newyorských divadelných scénach a v roku 1963 debutoval malou úlohou vo filme Svadobná hostina, uvedeným do kín až v roku 1969. Pozornosť divákov i filmovej kritiky vzbudil vo filme Martina Scorseseho Mizerné ulice z roku 1973 a Johna D. Hancocka Bubnujte pomaly! Nasledujúcimi filmami sa už zaradil medzi najvýznamnejšie americké hviezdy 70. a 80. rokov. Svojho prvého Oscara získal v roku 1974 za postavu Vita Corleoneho vo filme Francisa Forda Coppolu Krstný otec II. Druhé ocenenie filmovej Akadémie získal za stvárnenie boxerského šampióna vo filme Zúriaci býk z roku 1980 režiséra Martina Scorseseho. Celkovo bol na Oscara nominovaný šesťkrát. Cenu za herecký výkon získal spolu s Robertom Duvallom na Medzinárodnom filmovom festivale v Benátkach za úlohu v kriminálnom filme Pravdivé spovede.
Robert De Niro sa dvakrát oženil s Afroameričankami. So svojou prvou manželkou Dianne Ahbbottovou má dcéru Dreenu a syna Raphaela. S dlhoročnou partnerkou a modelkou Toukie Smithovou má synov, dvojičky Juliana Henryho a Aarona Kendricka. Koncom roka 2004 sa De Niro znovu oženil so svojou druhou manželkou Grace Hightowerovou, ktorá mu v roku 1998 porodila syna Elliota. Pár po niekoľkých mesiacoch požiadal o rozvod najmä pre hercovo pracovné vyťaženie, no oficiálne ešte rozvedení nie sú. Hercov otec, Robert De Niro Sr. bol expresionistický maliar.
