Enfant turbulent, Robert Mitchum est arrêté à 14 ans pour vagabondage et placé en pénitencier. A sa sortie le jeune Mitchum retourne chez lui. Il continue de travailler à l’usine et se produit au théâtre. Puis, il rencontre Harry Sherman, agent à Hollywood, qui lui propose de tourner dans un serial western (feuilleton à très petit budget) aux côtés de William Boyd.

Désormais marié, pour faire vivre sa famille, Robert Mitchum tourne tous les films qu’on lui propose. On le voit ainsi dans un film de Stan Laurel et Oliver Hardy : Maitres de ballets (1943) pour lequel il n’est pas crédité. De 1944 à 1947, il joue dans trois films par an en moyenne, enchainant les tournages. L’un d’eux, Les Forçats de la gloire, lui vaut une nomination aux Oscars. Trois films de la même année marquent son début de carrière : La Vallée de la peur, Feux croisés et La Griffe du passé (1947). En 1954, son contrat avec la RKO prend fin, et Mitchum est libre de choisir ses rôles. Il entre dans la légende d’Hollywood avec deux films : Rivière sans retour (dans lequel il donne la réplique à la star Marilyn Monroe) et La Nuit du chasseur de Charles Laughton. Dans ce dernier, son interprétation d’un prêcheur psychopathe pourchasseur d’enfants choque, et le film est un échec.

Malgré tout, Mitchum sort grandi de cette expérience, car ce rôle renforce un peu plus l’image qu’il s’est fabriquée. Celle d’un homme cynique, gros buveur, bon vivant et bagarreur. En 1958 sort son film le plus personnel. « Gros Bob » (comme l’appelle ses détracteurs) est à la fois producteur et scénariste de ce projet qui s’intitule Thunder Road. Le film raconte l’histoire d’un vétéran de la guerre de Corée qui revient dans son village et va s'occuper des affaires familiales. Il va s’opposer aux gangsters comme aux forces de la loi. Pour Mitchum, l’individualisme est la seule manière de survivre.

En 1961, dans Celui par qui le scandale arrive... de Vincente Minnelli, le mythe "Robert Mitchum" prend une autre dimension. C’est la première fois qu’il joue un patriarche. Pour ce rôle, dans lequel il est impérial, l'acteur reçoit à 43 ans (et 61 films) le lauréat du meilleur acteur, remis par le National Board of Review. Les années 60 le voient participer à de grandes réussites comme Les Horizons sans frontières (1960) de Fred Zinnemann ou El Dorado (1966), le remake de Rio Bravo par Howard Hawks et John Wayne, fidèles au poste.

Les années 70 sont inégales pour Mitchum, mais se dégagent des pépites comme Adieu, ma jolie (1975) avec Charlotte Rampling, ou Yakuza (1974), qui inspira une scène de Kill Bill : Volume 1 à Quentin Tarantino. Toujours où on ne l'attend pas, le comédien joue un mari trompé dans La Fille de Ryan (1970) du réalisateur britannique David Lean. Dans les années 80, Mitchum tourne beaucoup pour la télévision (notamment le célèbre Saturday Night Live), et délaisse quelque peu le cinéma avant d’y revenir pour la décennie 90. On lui remet pour l’ensemble de sa carrière le prix du National Board of Review of Motion Pictures et le prix Cecil B. DeMille aux Golden globes de 1992. L’une de ses dernières apparitions sur grand écran n’est pas parmi les moins étranges. Ainsi, il participe à Dead Man, un western fantastique réalisé par Jim Jarmusch, avec au casting le jeune Johnny Depp.