Το 2008, ο Ντάουνι πρωταγωνίστησε στο "Iron Man", βασισμένο στην ομώνυμη σειρά βιβλίων κόμικ, υποδυόμενος τον υπερήρωα Iron Man. Η ταινία ήταν τεράστια επιτυχία και το άνοιγμα σαββατοκύριακου παραμένει μέσα στο top 20 όλων των εποχών. Επανέλαβε το ρόλο του Τόνι Σταρκ στη συνέχεια στο "Iron Man 2" το 2010, στο "Οι Εκδικητές" (The Avengers) το 2012 και επέστρεψε ξανά στο "Iron Man 3" το 2013. Το 2009 πρωταγωνίστησε στο "Sherlock Holmes" στο ρόλο του διάσημου ντετέκτιβ που σκηνοθέτησε ο Γκάι Ρίτσι. Η ταινία κυκλοφόρησε τα Χριστούγεννα του 2009. Σύντομα, ο Ντάουνι κέρδισε Χρυσή Σφαίρα Α' Ανδρικού Ρόλου σε Μιούζικαλ ή Κωμωδία για την ερμηνεία του ως τον διάσημο ντετέκτιβ. Επανέλαβε το ρόλο του ως Χολμς στο "Sherlock Holmes 2: Το Παιχνίδι των Σκιών" (Sherlock Holmes: A Game of Shadows) το 2011. Το 2014 πρωταγωνίστησε στο δικαστικό δράμα "Ο Δικαστής" (The Judge). Μετά την αποτοξίνωσή του από τα ναρκωτικά πρωταγωνίστησε σε μια ταινία σατιρίζοντας τον ίδιο τον εαυτό του, ενώ έκανε και φυλακή. Στη συνέχεια συνέχισε να παίζει τον Iron Man στις ταινίες ', ', ', ' και "". Επίσης είχε το πρωταγωνιστικό ρόλο στην ταινία "Dolittle". Εκτός από τις ταινίες ο Ρόμπερτ Ντάουνι Τζούνιορ είναι γνωστός για την μουσική του καριέρα.