Robert Selden Duvall 1931-ben született San Diegóban Mildred Virginia amatőr színésznő és William Howard Duvall katonatiszt fiaként. Drámát tanult Illinois-ban, majd két évet szolgált a hadseregben. A New York-i The Neighborhood Playhouse-nál tanult tovább színésznek, itt ismerkedett meg két másik fiatal feltörekvő színésszel, Gene Hackmannel és Dustin Hoffmannel, akikkel közös lakást bérelt.
Első filmszerepét a Ne bántsátok a feketerigót! (To Kill a Mockingbird, 1962) című filmben kapta, ahol a mentálisan labilis Boo Radleyt alakította. Ezt követően színházi előadásokban kezdett ismertté válni, olyan híres darabokban játszott, mint például Arthur Miller Pillantás a hídról (A View from the Bridge) című műve, amelybe a rendezőasszisztensként dolgozó Hoffmann szervezte be. Folyamatosan megjelent televíziós sorozatok epizódszereplőjeként, majd játszott Geroge Lucas rendezői debütfilmjében is, az 1971-es THX 1138-ben.
1969-ben dolgozott először együtt Francis Ford Coppolával az Esőemberekben (The Rain People), majd a rendezőtől 1972-ben és 1974-ben karrierjének áttörő szerepét kapta A Keresztapa (The Godfather) filmeposzának első két részében, ahol a Don ír származású fogadott fiát, Tom Hagen consiglierét kellett alakítania, játékáért pedig a legjobb férfi mellékszereplőnek járó Oscar-díjra is jelölték. Ezután Duvall egy sor fontos mellékszerepet kapott olyan filmekben, mint a Hálózat (The Network, 1976) vagy A hétszázalékos megoldás (The Seven-Per-Cents Solution, 1976). Coppola 1979-es Apokalipszis most (Apocalypse Now) című filmjében ismét felbukkant, amiért újabb mellékszereplői Oscar jelölést kapott.
A munkásságát meghatározó mellékszerepektől sikerült a nagyobb szerepek felé mozdulnia, először a Holnap (Tomorrow, 1972) című filmben tűnt fel főszereplőként, A nagy Santiniben (The Great Santini, 1979) nyújtott alakításáért pedig a legjobb férfi főszereplőnek jelölték. 1983-ban meg is kapta a díjat Az Úr kegyelméből (Tender Mercies) című film főszerepéért, ahol egy countryénekest alakított, s a filmben felhangzó dalok közül többet ő maga írt. Az Akadémia elismerése ugyanakkor karrierjének mélypontját is elhozta, anyagi egyeztetési gondok miatt nem jelent meg például A Keresztapa trilógia zárórészében.
Ezután saját filmekkel próbálkozott, ő írta és rendezte a Bérgyilkos tangót (Assassination Tango, 2002), magának pedig szerepet is adott Az apostolban (The Apostle, 1997) és a Civil Actionben (1998), mindkettőért újabb Oscar-jelölést kapott.
Eddigi utolsó Oscar jelölését a 2014-es A Bíróban (The Judge) nyújtott alakításáért kapta.
Az írás a Filmtett gyakornoki programjában készült.
