Родился 5 января 1931 года в Сан-Диего. Он еще в колледже увлекся театром, но с карьерой актера пришлось обождать - два года Роберт отслужил в Корее. В 1962 году Дюваль, успевший уже появиться на телевидении, дебютировал в кино - в экранизации "Убить пересмешника". Этот фильм и ознаменовал начало творческого пути одаренного актера. В 70-е годы Дюваль стал сниматься у ведущих режиссеров.