Très tôt passionné par le septième art, Robert Rodriguez commence, dès sept ans, à réaliser des courts-métrages avec ses nombreux frères et soeurs. Une fois obtenu son diplôme de l'université du Texas, il participe à un concours de cinéma en présentant son court-métrage Bedhead, tourné avec trois de ses frères et soeurs, et qui rafle pas moins de quatorze récompenses. L'attention portée sur ce petit film le convainc de devenir réalisateur : avec 7 000 dollars en poche, il écrit, produit, met en scène, photographie et monte El Mariachi, tourné en espagnol, qui fait un tabac à Sundance en 1992.

Soutenu par Columbia, il met en scène Desperado (1995), suite des aventures du Mariachi, qui révèle au grand public Antonio Banderas et Salma Hayek. La carrière de Robert Rodriguez devient alors indissociable de ses nombreuses collaborations : Banderas et Hayek, bien sûr, qu'il retrouvera à de nombreuses reprises ; mais aussi son ami Quentin Tarantino, qu'il fait jouer dans le polar vampirique Une nuit en enfer (1996) aux côtés de George Clooney et Harvey Keitel. Ensemble, ils travailleront plus tard sur Grindhouse (2007), leur projet-hommage visant à réactiver les doubles programmes des années soixante-dix.

Après un détour par la science-fiction avec The Faculty (1998), Rodriguez, désormais en mesure de réaliser ses ambitions les plus folles, crée en 2001 la société de production et d'effets spéciaux Troublemaker Studios. Il réalise d'abord Spy Kids, énorme succès (plus de 100 millions de dollars de recettes) qui donne toute la mesure de son imaginaire enfantin. C'est le début d'une trilogie qui s'achèvera avec un épisode en 3D, en 2003. Au même moment, Il était une fois au Mexique Desperado 2 vient mettre un point final aux aventures du Mariachi, toujours avec Banderas et Hayek.

En 2005, parallèlement aux Aventures de Shark Boy et Lava Girl, oeuvre pour enfants dont le scénario est écrit par son fils de sept ans, Rodriguez adapte une bande dessinée culte et ultra-violente de Frank Miller (qui co-réalise le film), Sin City. Noir et blanc classieux, retouches numériques et casting de luxe (Josh Hartnett, Bruce Willis et Mickey Rourke y côtoient Clive Owen et Jessica Alba) font du film un succès, qui incite Rodriguez à se lancer dans la production de deux séquelles. En attendant, il participe au projet Grindhouse avec Tarantino, pour lequel il met en scène un film de zombies nerveux, Planète terreur (2007). Deux ans plus tard, il réalise Shorts, film pour les enfants, ainsi qu'une publicité Nespresso à l'occasion de laquelle il retrouve George Clooney. Après avoir scénarisé et produit Predators (2010) avec Adrien Brody, il s'entoure d'Ethan Maniquis, de Danny Trejo, de Michelle Rodriguez et de Robert De Niro et réalise Machete (id.) adapté du trailer diffusé avant Planète terreur. L'année suivante, Rodriguez s'attaque au quatrième volet de Spy Kids, avec de nouveaux enfants pour prendre la relève.
En 2013, Rodriguez revient avec son personnage Machete dans Machete Kills. Après huit ans, la suite de Sin City se concrétise enfin, Sin City : j'ai tué pour elle (2013) toujours adapté des comics de Frank Miller avec qui il coréalise une nouvelle fois le film. Il retrouve le casting original avec Joseph Gordon-Levitt, Eva Green et Juno Temple qui viennent s'ajouter à la longue liste de comédiens prestigieux.