Дюваль родился в Сан-Диего в семье Уильяма Говарда Дюваля, профессионального военного, позднее ставшего адмиралом. Мать Роберта Дюваля, Милдред Вирджиния Харт, является прямым потомком генерала Роберта Ли, командующего силами Конфедерации во время Гражданской войны в США. Отец Дюваля принадлежал к Методистской церкви, Роберт и его мать являлись последователями Христианской Науки Мэри Бэйкер Эдди. Будучи сыном военного, какое-то время Дюваль с родителями жил в Аннаполисе, недалеко от Военно-морской академии США. Он посещал школу Северн (Severn School) в Северна-Парке (штат Мэриленд) и школу Принципиа (The Principia) в Сент-Луисе (штат Миссури). В 1953 году окончил колледж Принципиа (The Principia College), образовательный центр Христианской науки, в городе Элса, штат Иллинойс. Дюваль служил в армии США с 19 августа 1953 года по 20 августа 1954 года, демобилизовался в звании рядовой первого класса.

В 1954 году Роберт Дюваль поступил в школу актёрского мастерства Neighborhood Playhouse в Нью-Йорке. Во время учёбы Дюваль подрабатывал клерком на почте. В школе он познакомился с Джином Хэкменом и Дастином Хоффманом, с которыми он впоследствии неоднократно встретится на съемочных площадках. Наставником Дюваля в театральной школе был Сэнфорд Мейснер IMDb. Мейснер задействовал Дюваля в своей постановке пьесы Хортона Фута The Midnight Caller. Сотрудничество Роберта Дюваля и Хортона Фута позднее продолжилось и сыграло значительную роль в актёрской карьере Дюваля. Именно Фут порекомендовал Роберта Дюваля на роль «Страшилы» Рэдли в фильме 1962 года «Убить пересмешника».

Театр

Свою актёрскую карьеру Дюваль начал в нью-йоркском театре Гейт, где в 1958 году он исполнил роль Фрэнка Гарднера в спектакле «Профессия миссис Уоррен» по пьесе Бернарда Шоу. Было сыграно 5 спектаклей, премьера состоялась 25 июля 1958 года. Новой театральной работой Роберта Дюваля стала роль Дага в спектакле «Зови меня по имени», поставленном по пьесе Майкла Шартлифа на сцене театра One Sheridan Square. Премьера состоялась 31 января 1961 года.

В 1962 году Улу Гросбард поставил на сцене театра Sheridan Square Playhouse спектакль «Дни и ночи Биби Фенстермэйкер» по пьесе американского драматурга Уильяма Снайдера. Роберт Дюваль сыграл в спектакле роль Боба Смита.

28 января 1965 года в театре Sheridan Square Playhouse состоялась премьера спектакля «Вид с моста» по одноименной пьесе Артура Миллера. Режиссёрами постановки выступили Улу Гросбард и Дастин Хоффман. Всего было сыграно 780 спектаклей, последнее представление было дано 11 декабря 1966 года. Роберт Дюваль сыграл роль Эдди и в 1965 году был награждён премией Obie «за выдающееся исполнение» этой роли.

В следующем году Дюваль сыграл в бродвейской постановке пьесы Фредерика Нотта «Дождись темноты». Эта пьеса позднее легла в основу фильма «Дождись темноты» 1967 года режиссёра Теренса Янга, в главной роли снялась знаменитая актриса Одри Хепберн. Роберт Дюваль создал образ психопата Гарри Роута младшего, спектакль стал сенсацией Бродвея 1966 года.

Телевидение и первые роли в кино

В 1959 году Дюваль дебютировал на телевидении, где в телешоу Театр Армстронг Сёркл сыграл эпизодические роли в сериях «Побег из тюрьмы» (The Jailbreak) и в 1960 году в «Точное опознание» . Сериал шёл с 1950 по 1957 год на телеканале NBC и с 1957 по 1963 год на телеканале CBS, и представлял собой экранизацию произведений именитых писателей и драматургов.

Затем последовало ещё несколько приглашений на телевидение, в том числе на эпизодические роли в детективах, криминальных драмах. В частности, он снялся в телесериалах «Альфред Хичкок представляет», «Беззащитный город», «Неприкасаемые», «Маршрут 66», «Сумеречная зона», «За гранью возможного», «Домушники», «Беглец», и «Подразделение».

Кинодебют Дюваля состоялся в 1962 году, когда он сыграл второстепенную роль Артура «Страшилы» Рэдли, подростка, прожившего большую часть своей жизни взаперти, в фильме «Убить пересмешника», за который Грегори Пек получил «Оскар». Фильм до сих пор считается лучшей экранизацией романа Харпер Ли, а дебют Дюваля в этом фильме, безусловно, является воплощением одного из самых знаменитых в литературе и искусстве архетипов: невидимого монстра, которой при встрече оказывается нежным, измученным и чутким существом. Роль потребовала от Дюваля большого актёрского мастерства, поскольку создавать образ Страшилы он должен был без слов, с помощью языка тела и жестов. Его присутствие на экране было минимальным, и появляется он лишь в самом конце.

В 1960-е годы он сыграл ещё несколько ролей в кино, среди которых были не только эпизодические, но уже и роли второго плана. В 1963 году Дюваль сыграл Капитана Пола Кабота Уинстона в фильме «Капитан Ньюмэн, доктор медицины», ставшем вторым для Дюваля кинофильмом, где его коллегой и партнером по съемочной площадке был Грегори Пек.

Знаковой, хотя и второстепенной, была роль Шиза в фильме 1968 года «Обратный отсчёт». Этот кинофильм был снят в жанре фантастики, но лишён модных спецэффектов, выстрелов, реконструкции внешнего вида комического корабля. Все сцены с участием Роберта Дюваля были основаны на драматических переговорах его героя из центра управления с персонажем Джеймса Каана, летящего в капсуле к Луне. Дуэт Дюваля и Каана вновь появится на экранах в 1969 году в фильме «Люди дождя» и в 1972 году в фильме «Крёстный отец».

В 1969 году Роберт Дюваль был приглашён на роль Гордона в фильме Фрэнсиса Форда Копполлы «Люди дождя», а также на роль преступника «Счастливчика» Неда Пиппера в вестерне 1969 года «Настоящая храбрость» , получившем множество кинематографических премий и наград.


Частная жизнь

Роберт Дюваль и Лусиана Педраса, 2003 год

Роберт Дюваль был женат четыре раза, детей ни в одном из четырёх браков у актёра не родилось.
Его первой женой стала Барбара Бенджамин, брак с ней был заключен 31 декабря 1964 года и продлился 11 лет, закончившись разводом в 1975 году.
Второй раз Дюваль женился 22 августа 1982 года на актрисе Гейл ЯнгсI. Пара оформила развод в 1986 году.
Третьей женой актёра стала Шэрон Брофи, брак был заключен 1 мая 1991 года и продлился до 1996 года.
Четвёртой женой Роберта Дюваля, с которой он состоит в браке в настоящий момент, стала аргентинская актриса Лусиана Педраса (Luciana Pedraza). Лусиана младше Дюваля на 41 год. Пара сыграла свадьбу 6 октября 2004 года после семи лет гражданского брака. В интервью, которое Роберт Дюваль дал интернет изданию WENN 28 октября 2003 года, он так прокомментировал значительную разницу в возрасте между ним и его невестой: «Разница в возрасте никогда не смущала её. Мы везде ходим вместе и всё делаем вместе. Мы как будто всегда были знакомы».


Политические воззрения и общественная деятельность

Роберт Дюваль и его жена Лусиана Педраса поддерживают Республиканскую партию США. В предвыборной президентской компании 2008 года они открывали встречу сенатора Маккейна и Сары Пэйлин с избирателями в Albuquerque Convention Center 6 сентября 2008 года, Дюваль также озвучивал видеоролик, представлявший Джона Маккейна на съезде Республиканской партии США. После появления в прессе критических публикаций о Саре Пэйлин, Роберт Дюваль позволил себе резкие высказывания в адрес репортёров. В частности, он обрушился на журналиста, раскритиковавшего Пэйлин, демонстративно сделав вид, что не может вспомнить его фамилию.

Дюваль занимает достаточно жёсткую позицию в отношении Кубы. Так, он отказался сниматься в фильме студии Dreamworks, спонсором которого должен был выступить Стивен Спилберг, и весьма язвительно прокомментировал высказывание Спилберга, заявившего после своей поездки на Кубу, что «…проведённые с Фиделем Кастро семь часов, были, в общем, лучшими в его жизни».

Актёр ведёт активную общественную деятельность, в частности он участвовал в акциях протеста по поводу строительства супермаркета рядом с мемориальным полем битвы времён Гражданской войны в штате Виргиния.

Дюваль является основателем благотворительного фонда «The Robert Duvall Children’s Fund». Фонд оказывает помощь детям Аргентины, финансированием строительства школ и больниц, помощь малоимущим. Помимо собственного фонда, Дюваль и его жена поддерживают иные благотворительные организации и мероприятия.