Installé à Los Angeles, Robert Mitchum occupe divers emplois. Il interprète plusieurs pièces au Long Beach Civic Theatre. Dans les années 1930, il écrit des pièces pour les enfants. Sa rencontre avec Harry Shermann, producteur de la série Hopalong Cassidy, est décisive. Il est embauché pour des petits rôles dans la série, puis dans des westerns, à partir de 1943. Ce sont Les Forçats de la gloire (1945) de William Wellman qui lancent sa carrière : il est nominé aux oscars pour sa prestation, et la R.K.O. le prend sous contrat, décidée à en faire une star.
Avec son physique imposant, sa démarche lente et sûre, et son nez brisé, Robert Mitchum est surtout choisi au début de sa carrière pour des rôles de méchants, dans des films noirs. En 1947, on le découvre en détective sobre et introverti dans La Griffe du passé de Jacques Tourneur, un de ses films importants. Robert Mitchum est aussi anticonformiste dans ses films que dans sa vie, et l'acteur et l'homme se fondent totalement. Ce héros se définit clairement à partir de 1952, dans Macao de Joseph von Sternberg, dans Un si doux visage d'Otto Preminger et dans les Indomptables de Nicholas Ray, où il incarne une vedette de rodéo dont la solitude séduit Susan Hayward. En 1955, le contrat de Robert Mitchum avec la R.K.O. prend fin ; il tourne alors Rivière sans retour d'Otto Preminger, avec Marilyn Monroe, puis La Nuit du chasseur de Charles Laughton. Ce dernier film lui offre un de ses plus célèbres rôles : il incarne un homme d'église peu recommandable avec une envergure shakespearienne. Il réussit en effet à passer du pathétique à la terreur authentique avec une conviction et une économie de moyen étonnantes. Dans le registre du mal absolu, Robert Mitchum s'illustre aussi particulièrement dans Les Nerfs à vif (1961) de Jack Lee Thompson en tueur tranquille et sadique, vêtu de blanc. L'aspect noir de ces personnages, associé aux tumultes de sa vie privée, contribue beaucoup à sa popularité. En 1962, il compose un remarquable rôle à contre-emploi dans Deux sur la balançoire de Robert Wise, où il fait preuve d'une très grande sensibilité. Robert Mitchum montre ainsi qu'il peut s'adapter à tous les genres cinématographiques. Au-delà des westerns et des polars, il endosse des rôles dramatiques (le patriarche de Celui par qui le scandale arrive, 1960, de Vincente Minnelli) et tourne des films d'aventure (L'Aventurier du Kenya, 1965, de Ronald Neame). Il joue aussi des comédies, notamment Ailleurs l'herbe est plus verte (1960) de Stanley Donen. Après trente ans de métier, Mitchum s'assagit mais reste subversif. Dans Yakusa (1975) de Sydney Pollack, il incarne un tueur fatigué, fidèle aux vieilles amitiés dans un Japon déchiré entre tradition et modernité. Une de ses dernières compositions marquantes date de 1995 dans Dead man de Jim Jarmusch. Le mythe Mitchum est tout entier baigné de cet univers noir, où le héros désabusé garde une aura romantique et ne vieillit pas.
En 1955, Robert Mitchum crée sa maison de production, qu'il baptise DRM Production d'après ses initiales et celles de son épouse.
Il écrit et produit Thunder Road en 1958. Il produit aussi L'Aventurier du Rio Grande (1959) de son ami Robert Parrish.
En 1957, il signe un contrat chez Capitol Record et rencontre quelques succès, notamment avec la chanson " Calypso is Like so ".
Robert Mitchum écrit de la poésie.
Courts métrages 1950 | Hollywood Goes to Bat | Ralph Staub |
| 1990 | Waiting for the Wind | Don Schroeder |
Longs métrages| 1957 | Thunder Road | Arthur Ripley |
| 1957 | Thunder Road | Arthur Ripley |
| 1959 | Wonderful Country (The) L'Aventurier du Rio Grande | Robert Parrish |
| 1957 | Thunder Road | Arthur Ripley |
| 1942 | We've Never Been Licked | John Rawlins |
| 1943 | Aerial gunner | William H. Pine |
| 1943 | Bar 20 Le Ranch du bar 20 | Lesley Selander |
| 1943 | Beyond the Last Frontier | Howard Bretherton |
| 1943 | Border Patrol Patrouille frontière | Lesley Selander |
| 1943 | Colt Comrades La Confrérie du revolver | Lesley Selander |
| 1943 | Corvette K-225 | Richard Rosson, Howard Hawks |
| 1943 | Cry 'Havoc' | Richard Thorpe |
| 1943 | Dancing Masters (The) Maîtres de ballet | Malcolm St. Clair |
| 1943 | Doughboys in Ireland | Lew Landers |
| 1943 | False Colors | George Archainbaud |
| 1943 | Follow the Band | Jean Yarbrough |
| 1943 | Gung Ho ! | Ray Enright |
| 1943 | Hoppy Serves a Writ | George Archainbaud |
| 1943 | Human Comedy (The) Et la vie continue | Clarence Brown |
| 1943 | Leather Burners (The) | Joseph Henabery |
| 1943 | Lone Star Trail (The) | Ray Taylor |
| 1943 | Minesweeper | William Berke |
| 1943 | Riders of the Deadline Zone mortelle | Lesley Selander |
| 1944 | Girl Rush | Gordon Douglas |
| 1944 | Johnny Doesn't Live Here Any More Surprise party | Joe May |
| 1944 | Mr Winkle Goes to War | Alfred E. Green |
| 1944 | Nevada | Edward Killy |
| 1944 | Thirty Seconds Over Tokyo Trente secondes sur Tokyo | Mervyn LeRoy |
| 1944 | When Strangers Marry Etrange mariage | William Castle |
| 1945 | Story of G.I. Joe (The) Les Forçats de la gloire | William A. Wellman |
| 1945 | Till the End of Time | Edward Dmytryk |
| 1945 | West of the Pecos | Edward Killy |
| 1946 | Locket (The) Le Médaillon | John Brahm |
| 1946 | Out of the Past La Griffe du passé = Pendez-moi haut et court | Jacques Tourneur |
| 1946 | Undercurrent Lame de fond | Vincente Minnelli |
| 1947 | Crossfire Feux croisés | Edward Dmytryk |
| 1947 | Desire Me La Femme de l'autre | George Cukor, Mervyn LeRoy, Victor Saville |
| 1947 | Pursued La Vallée de la peur | Raoul Walsh |
| 1948 | Blood on the Moon Ciel rouge | Robert Wise |
| 1949 | Big Steal (The) Ca commence à Vera Cruz | Don Siegel |
| 1949 | Holiday Affair | Don Hartman |
| 1949 | My Forbidden Past Mon passé défendu | Robert Stevenson |
| 1949 | Rachel and the Stranger | Norman Foster |
| 1949 | Red Pony (The) | Lewis Milestone |
| 1950 | His Kind of Woman Fini de rire | John Farrow |
| 1950 | Macao Le Paradis des mauvais garçons | Josef von Sternberg |
| 1950 | Where Danger Lives | John Farrow |
| 1951 | Racket (The) | John Cromwell |
| 1952 | Angel Face Un si doux visage | Otto Preminger |
| 1952 | Lusty Men (The) Les Indomptables | Nicholas Ray, Robert Parrish |
| 1952 | One Minute to Zero Une minute avant l'heure H | Tay Garnett |
| 1952 | White Witch Doctor La Sorcière blanche | Henry Hathaway |
| 1953 | River of No Return Rivière sans retour | Otto Preminger, Jean Negulesco |
| 1953 | Second Chance Passion sous les tropiques | Rudolph Maté |
| 1954 | Night of the Hunter (The) La Nuit du chasseur | Charles Laughton |
| 1954 | She Couldn't Say No | Lloyd Bacon |
| 1954 | Track of the Cat | William A. Wellman |
| 1955 | Bandido | Richard Fleischer |
| 1955 | Foreign Intrigue L'Enigmatique Monsieur D. | Sheldon Reynolds |
| 1955 | Man with the Gun L'Homme au fusil | Richard Wilson |
| 1955 | Not As a Stranger Pour que vivent les hommes | Stanley Kramer |
| 1956 | Fire Down Below L'Enfer des tropiques | Robert Parrish |
| 1956 | Heaven Knows, Mr. Allison Dieu seul le sait | John Huston |
| 1957 | Enemy Below (The) Torpilles sous l'Atlantique | Dick Powell |
| 1957 | Thunder Road | Arthur Ripley |
| 1958 | Angry Hills (The) Trahison à Athènes | Robert Aldrich |
| 1958 | Hunters (The) Flammes sur l'Asie | Dick Powell |
| 1959 | Home from the Hill Celui par qui le scandale arrive | Vincente Minnelli |
| 1959 | Night Fighters = A Terrible Beauty (The) Les Combattants de la nuit | Tay Garnett |
| 1959 | Sundowners Horizons sans frontières | Fred Zinnemann |
| 1959 | Wonderful Country (The) L'Aventurier du Rio Grande | Robert Parrish |
| 1960 | Grass Is Greener (The) Ailleurs, l'herbe est plus verte | Stanley Donen |
| 1960 | Last Time I Saw Archie (The) | Jack Webb |
| 1961 | Cape Fear Les Nerfs à vif | J. Lee Thompson |
| 1961 | Longest Day (The) Le Jour le plus long | Ken Annakin, Andrew Marton, Bernhard Wicki, [etc.] |
| 1962 | List of Adrian Messenger (The) Le Dernier de la liste | John Huston |
| 1962 | Rampage Massacre pour un fauve | Phil Karlson |
| 1962 | Two for the Seesaw Deux sur la balançoire | Robert Wise |
| 1963 | Man in the Middle (The) L'Affaire Winstone | Guy Hamilton |
| 1963 | What a Way to Go ! Madame croque-maris | J. Lee Thompson |
| 1964 | Mister Moses L'Aventurier du Kenya | Ronald Neame |
| 1965 | El Dorado | Howard Hawks |
| 1966 | Way West (The) La Route de l'Ouest | Andrew V. McLaglen |
| 1967 | Sbarco di Anzio (Lo) La Bataille pour Anzio | Duilio Coletti, Edward Dmytryk |
| 1967 | Villa Rides Pancho Villa | Buzz Kulik |
| 1968 | Five Card Stud Cinq cartes à abattre | Henry Hathaway |
| 1968 | Good Guys and the Bad Guys (The) Un homme fait la loi | Burt Kennedy |
| 1968 | Secret Ceremony Cérémonie secrète | Joseph Losey |
| 1968 | Young Billy Young La Vengeance du shérif | Burt Kennedy |
| 1969 | Ryan's Daughter La Fille de Ryan | David Lean |
| 1971 | Going Home L'Affrontement | Herbert B. Leonard |
| 1971 | Wrath of God (The) La Colère de Dieu | Ralph Nelson |
| 1973 | Friends of Eddie Coyle (The) Les Copains d'Eddie Coyle | Peter Yates |
| 1975 | Farewell, My Lovely Adieu, ma jolie | Dick Richards |
| 1975 | Last Tycoon (The) Le Dernier nabab | Elia Kazan |
| 1975 | Yakuza (The) | Sydney Pollack |
| 1976 | Midway La Bataille de Midway | Jack Smight |
| 1978 | Amsterdam Kill (The) De la neige sur les tulipes | Robert Clouse |
| 1978 | Big Sleep (The) Le Grand sommeil | Michael Winner |
| 1978 | Matilda C'est dans la poche | Daniel Mann |
| 1978 | Steiner, das eiserne Kreuz, 2. Teil La Percée d'Avranches | Andrew V. McLaglen |
| 1980 | Agency Les Espions dans la ville | George Kaczender |
| 1980 | Nightkill [Nuit de meurtre] | Ted Post |
| 1982 | That Championship Season | Jason Miller |
| 1983 | Ambassador (The) [L'Ambassadeur] | J. Lee Thompson |
| 1983 | Maria's Lovers | Andreï Konchalovsky |
| 1987 | Hollywood The Golden Years : The RKO Story | Anonyme |
| 1988 | John Huston : The Man, the Movies, the Maverick | Frank Martin |
| 1988 | Mr North Mr. North | Danny Huston |
| 1988 | Scrooged Fantômes en fête | Richard Donner, Mic Rodgers |
| 1989 | Présumé dangereux | Georges Lautner |
| 1990 | Midnight Ride | Bob Bralver |
| 1991 | Cape Fear Les Nerfs à vif | Martin Scorsese |
| 1992 | Septs péchés capitaux (Les) | Beatriz Flores Silva, Frédéric Fonteyne, Yvan Le Moine, [etc.] |
| 1993 | Tombstone | George P. Cosmatos |
| 1993 | Woman of Desire | Robert Ginty |
| 1994 | Dead Man | Jim Jarmusch |
| 1995 | Backfire ! | A. Dean Bell |
| 1995 | Pakten | Leidulv Risan |
| 1995 | Wild Bill : Hollywood Maverick William Wellman : Le rebelle de Hollywood | Todd Robinson |
| 1997 | James Dean : Race with Destiny | Mardi Rustam |