Do tych najbardziej pamiętnych należą role w filmie kryminalnym Petera Yatesa Bullitt (1968) ze Steve’em McQueenem w roli głównej, kreacja Toma Hagena, consigliere rodziny Corleone w Ojcu chrzestnym (1972). Po roli ekscentrycznego podpułkownika Billa Kilgore’a z Czasu apokalipsy (1979) Francisa Forda Coppoli został wpisany do Księgi rekordów Guinnessa jako najbardziej wszechstronny aktor na świecie, a jego kwestia z tego filmu: „kocham zapach napalmu o poranku” przeszła do historii kina.
Otrzymał Oscara dla najlepszego aktora pierwszoplanowego za rolę piosenkarza country Maca Sledge’a w ciepłym, rodzinnym dramacie Bruce’a Beresforda Pod czułą kontrolą (1983). Zajmował się także reżyserią i pisaniem scenariuszy, a nawet produkcją filmów, m.in. Apostoła (1997), w którym zagrał kaznodzieję i dreszczowca Assassination Tango (2002), gdzie wcielił się w płatnego mordercę.
Ma swoją gwiazdę w Hollywood Walk of Fame, znajdująca się przy 6801 Hollywood Boulevard.
Życie prywatne thumb|Duvall i Luciana Pedraza (2003) Duvall był żonaty czterokrotnie. Swą ostatnią żonę poznał w 1997 roku, w Buenos Aires. Cztery lata później para założyła w Argentynie fundację The Robert Duvall Children’s Fund.