Dès le lycée, Robin Renucci se tourne vers le théâtre : il crée une troupe amateur qui joue dans les écoles aux alentours du Creusot. A Paris, il suit les cours de l'école de Charles Dullin et crée une nouvelle troupe, la Compagnie de la mie de pain, qui monte des spectacles de rue. Il entre ensuite au Conservatoire d'art dramatique en 1978 puis débute à la télévision dans des fictions d'Alain Quercy (Messieurs les jurés et Vasco).
Robin Renucci commence sa carrière cinématographique à sa sortie du Conservatoire. En 1981, il joue dans son premier long métrage, Eaux profondes de Michel Deville. Dans un premier temps, il accumule les seconds rôles dans de nombreux films à succès, tels que Vive la sociale ! (Gérard Mordillat, 1983), Fort Saganne (Alain Corneau, id.), ou encore Le vol du Sphinx de Laurent Ferrier en 1984 et Train d'enfer de Roger Hanin la même année. 1984 marque un tournant dans sa carrière. Jean-Charles Tacchella lui offre son premier rôle important dans Escalier C, celui de Foster, un critique d'art particulièrement cynique. Renucci saisit l'occasion de montrer l'étendue de son talent ; partagé entre instinct et lucidité, il incarne avec une ambivalence complète Foster le dandy. Il est d'ailleurs nommé aux Césars à cette occasion. L'année suivante, la réalisatrice Aline Issermann écrit L'Amant magnifique spécialement pour lui ; elle lui confie le rôle du mari d'Isabel Otero, délaissé pour Hippolyte Girardot. En 1986, il joue dans Masques de Claude Chabrol. Dans ce film, il donne à son personnage une dimension plus complexe encore que celle de Foster ; le personnage de Chevalier, celui qui arrache les masques, se retrouve ainsi tantôt justiciable, tantôt justicier. Par la suite, Robin Renucci se partage entre télévision, théâtre et cinéma. Dans Faux et usage de faux (1990) de Laurent Heynemann, il redonne vie, avec Philippe Noiret, à l'histoire du canular de Romain Gary qui obtint le Goncourt sous le nom d'Emile Ajar. Il est dirigé par les frères Dardenne dans Je pense à vous en 1991 et interprète un frère incestueux aux côtés d'Anémone dans Poisson lune (1992) de Bernard Van Effenterre. Robin Renucci se consacre davantage encore à la télévision, mais on peut le voir par la suite dans Les Enfants du siècle (Diane Kurys, 1998) ou Total Khéops, adaptation du polar de Jean-Claude Izzo par Alain Béverini en 2001. Il prête encore son élégance désabusée à des personnages secondaires tels le père de Louis Garrel et Eva Green dans The Dreamers de Bertolucci en 2002, et participe à de grosses productions comme Arsène Lupin de Jean-Paul Salomé (2003). En 2005, il retrouve Chabrol pour L'Ivresse du pouvoir et réalise son premier long métrage qui sortira en 2007 sur les écrans : Sempre vivu !. Tourné en partie en langue corse, le film raconte la vie d'un village de l'Ile de Beauté, véritable acte de foi pour l'insulaire passionné. En 2008, il est à l'affiche des Femmes de l'ombre pour lequel il retrouve Jean-Paul Salomé, et des Hauts murs de Christian Faure, avec Carole Bouquet et Catherine Jacob.
Au théâtre, Robin Renucci joue notamment Don Juan, La mouette et Lorenzaccio. Parfois, il fait passer le théâtre avant le cinéma. Pour la télévision, il interprète de nombreux téléfilms et fictions, dont La tentation d'Antoine et La Déchirure. Il tourne un épisode de Médecins des hommes et joue dans La Grande cabriole de Nina Companeez en 1989.
Il crée en 1998 l'ARIA, Association des Rencontres Internationales Artistiques, pôle d’éducation et de formation par la création théâtrale dans la tradition de l’Education Populaire, et située en Haute Corse.
En juin 2011, Robin Renucci est nommé à la direction des Tréteaux de France, le seul centre dramatique national (CDN) à vocation itinérante.
Courts métrages 1982 | Fernandel for ever | Vincent Lombard |
Longs métrages| 1997 | Femme d'un seul homme [TV] (La) | Robin Renucci |
| 2005 | Sempre vivu ! (Qui a dit que nous étions morts ?) | Robin Renucci |
| 2009 | Jeanjean | Robin Renucci |
| 2005 | Sempre vivu ! (Qui a dit que nous étions morts ?) | Robin Renucci |
| 2005 | Sempre vivu ! (Qui a dit que nous étions morts ?) | Robin Renucci |
| 1981 | Eaux profondes | Michel Deville |
| 1981 | Invitation au voyage | Peter Del Monte |
| 1981 | Misérables (Les) | Robert Hossein |
| 1981 | Quarantièmes rugissants (Les) | Christian de Chalonge |
| 1982 | Coup de foudre | Diane Kurys |
| 1982 | Petite bande (La) | Michel Deville |
| 1982 | Stella | Laurent Heynemann |
| 1983 | Fort Saganne | Alain Corneau |
| 1983 | Mots pour le dire (Les) | José Pinheiro |
| 1983 | Trace (La) | Bernard Favre |
| 1983 | Vive la sociale | Gérard Mordillat |
| 1984 | Côté coeur, côté jardin | Bertrand Van Effenterre |
| 1984 | Escalier C | Jean-Charles Tacchella |
| 1984 | Train d'enfer | Roger Hanin |
| 1984 | Vol du sphinx (Le) | Laurent Ferrier |
| 1985 | Amant magnifique (L') | Aline Issermann |
| 1985 | Baston (La) | Jean-Claude Missiaen |
| 1985 | Peau d'ange | Jean-Louis Daniel |
| 1985 | Suivez mon regard | Jean Curtelin |
| 1986 | États d'âme | Jacques Fansten |
| 1986 | Mal d'aimer (Le) | Giorgio Treves |
| 1986 | Masques | Claude Chabrol |
| 1987 | Blanc de Chine | Denys Granier-Deferre |
| 1988 | Deux Fragonard (Les) | Philippe Le Guay |
| 1988 | Mannequins d'osier (Les) | Francis de Gueltzl |
| 1989 | Aventure de Catherine C. | Pierre Beuchot |
| 1989 | Putain du roi (La) | Axel Corti |
| 1990 | Dames galantes | Jean-Charles Tacchella |
| 1990 | Faux et usage de faux | Laurent Heynemann |
| 1991 | Je pense à vous | Jean-Pierre Dardenne, Luc Dardenne |
| 1992 | Écrivain public (L') | Jean-François Amiguet |
| 1992 | Ordre du jour (L') | Michel Khleifi |
| 1992 | Poisson-lune | Bertrand Van Effenterre |
| 1994 | Frères Gravet (Les) | René Féret |
| 1994 | Poudre aux yeux (La) | Maurice Dugowson |
| 1994 | Tzaleket | Haïm Bouzaglo |
| 1996 | Méfie-toi de l'eau qui dort | Jacques Deschamps |
| 1998 | Enfants du siècle (Les) | Diane Kurys |
| 2001 | Affaire(s) à suivre | Bernard Boespflug |
| 2001 | Taking sides - Le Cas Furtwängler | István Szabó |
| 2001 | Total Khéops | Alain Beverini |
| 2002 | Dreamers (The) Innocents | Bernardo Bertolucci |
| 2002 | Furet (Le) | Jean-Pierre Mocky |
| 2003 | Arsène Lupin | Jean-Paul Salomé |
| 2005 | Ivresse du pouvoir (L') | Claude Chabrol |
| 2007 | Femmes de l'ombre (Les) | Jean-Paul Salomé |
| 2009 | Celles qui aimaient Richard Wagner | Jean-Louis Guillermou |
| 2018 | Slodki koniec dnia Un soir en Toscane | Jacek Borcuch |