דובאל למד משחק בבית הספר לתיאטרון "נייברהוד פלייהאוס" שבניו יורק, ונמנה עם תלמידיו של סנפורד מייזנר. כשחקן בתחילת דרכו, עבד דובאל כפקיד דואר במנהטן, אולם התפטר מקץ חצי שנה.
דובאל התברג למועמדויות לאוסקר בקטגוריית שחקן המשנה בעבור תפקידו בסרט "תביעה אזרחית", בעבור תפקיד ראשי בסרט "טייס שב הביתה" ובעבור משחקו כלויטננט קולונל קילגור ב"אפוקליפסה עכשיו" (1979). מילותיו בסרט "אפוקליפסה עכשיו", "אני אוהב את ריח הנפלם בבוקר", היו לאחד הציטוטים הידועים בתולדות הקולנוע:
”מריח את זה? אתה מריח את זה? נפלם, בן. שום דבר בעולם לא מריח ככה. אני אוהב את ריח הנפלם על הבוקר. אתה יודע, פעם הפצצנו גבעה במשך שתים עשרה שעות. כשהכל נגמר הלכתי לשם. לא מצאנו אף לא אחד מהם, אף לא גופה צהובה מסריחה אחת. הניחוח... אתה מכיר את ניחוח הבנזין הזה... הגבעה כולה, הריחה כמו... ניצחון”.
בשנת 1991 שיחק בסרט "שושנת פרא" לצידה של לורה דרן, המבוסס על ספרו של קאלדר ווילמנגהם (אנ'), "שושנת פרא" משנת 1972.
בשנת 2000 השתתף בסרט ״עקיצה ב 60 שניות״ בתור אוטו האליוול, המנטור לשעבר של ממפיס
בשנת 2003 גילם את דמותו של הגנרל רוברט ה. לי בסרט "אלים וגנרלים". דובאל, כאמור, הוא מצאצאי הגנרל. באותה שנה השתתף בנוסף בסרט שטח פתוח.
בשנת 2014 שיחק דובאל בסרט הדרמה "השופט" בתפקיד שופט בית המשפט ג'וזף פאלמר והיה מועמד בפעם השביעית לפרס האוסקר, בקטגוריית שחקן המשנה הטוב ביותר. בשנת 2015 ביים וכתב את סרט הפשע והמערבון "סוסי פרא" בו אף כיכב בתפקיד הראשי לצד ג'יימס פרנקו.
דובאל נשוי בפעם הרביעית, ומעולם לא הוליד ילדים. אשתו מאז שנת 2005 הוא השחקנית והבמאית הארגנטינאיתלוצ'יאנה פדראסה (אנ'), ילידת שנת 1972. אשתו הראשונה הייתה ברברה בנג'מין, רקדנית לשעבר שאותה הכיר במהלך צילומי "אל תיגע בזמיר", ולה שתי בנות מנישואים קודמים. השניים היו נשואים בין השנים 1964–1975. אשתו השנייה הייתה גייל יאנגס, לה היה נשוי בשנים 1982–1986, ומתוקף הנישואים האלה הוא היה גיסם של ג'ון סאבאג', אשת הרדיו והטלוויזיהרובין יאנג (אנ'), והשחקן ג'ים יאנגס. נישואיו השלישיים של דובאל היו לרקדנית שרון ברופי, בין השנים 1991–1995.
רוברט דובאל דובר ספרדית שוטפת, הוא חולק את יום הולדתו עם דיאן קיטון, עמיתתו לסרט "הסנדק". העיר החביבה עליו היא בואנוס איירס, ארגנטינה. הוא רקדן טנגו נלהב ואוהד כדורגל. דובאל הוא רפובליקני מובהק, ואף הוזמן לטקס השבעתו של הנשיאג'ורג' ווקר בוש בשנת 2001. הוא מעורב במאבק משפטי נגד כוונתה של חברת אנרגיה מקומית למתוח קווי מתח גבוה בתוואי של אזור מגוריו.
עם חבריו הקרובים של דובאל נמנים דסטין הופמן וג'ין הקמן – אותם הכיר עוד מימיו כשחקן מתחיל.