Robert Duvall est né à San Diego, en Californie. A l'âge de 10 ans, sa famille quitte la région pour s'installer sur la côte Est, à Annapolis, dans le Maryland. Adolescent, Robert Duvall suit des études d'histoire et de sciences politiques au Principia College d'Elsah, puis obtient un diplôme d'art dramatique avant de partir pour l'armée. Ses obligations remplies, il s'établit à New York en 1955, et, grâce à une bourse de G.I., rejoint le Neighborhood Playhouse, où il suit les cours de Sanford Meisner. Sous la tutelle de ce dernier, Duvall jouera notamment dans "The Midnight Caller" de Horton Foote, et "Camino Real" de Tennessee Williams. Cinq ans après son entrée à la Neighborhood Playhouse, et après avoir tourné dans un téléfilm, "John Brown's Raid", il fait ses débuts au cinéma dans Du silence et des ombres, de Robert Mulligan. La première moitié des 60's sera placée sous le signe de la télévision, puisque Duvall apparaîtra dans de nombreuses séries de renom comme "Alfred Hitchcock présente", "Les incorruptibles", "La quatrième dimension", "Les mystères de l'Ouest", ou encore la série policière live "Naked City". En parallèle, il se produit sur les planches, et obtient même, en 1965, l'Obie pour sa prestation dans "Vu du pont", d'Arthur Miller.