De Niro esordì sul grande schermo con la commedia The Wedding Party (Oggi sposi) di Brian De Palma, girata nel 1963 ma distribuita solo nel 1969 a causa del fallimento della casa di produzione.^[28] Il film, con il quale debuttò anche Jill Clayburgh, ricevette una critica positiva dal New York Times.^[29]

Il suo primo ruolo cinematografico, seppur non accreditato, fu nel film francese Tre camere a Manhattan (1965) di Marcel Carné,^[30] con cui collaborò nuovamente ne I giovani lupi (1968).^[2] Seguirono altre collaborazioni con De Palma, nelle commedie Ciao America! e Hi, Mom!. Alla fine degli anni sessanta e nei primi anni settanta, De Niro alternò commedie come I maledetti figli dei fiori e La gang che non sapeva sparare a ruoli più impegnati in Sam's Song, Il clan dei Barker Il mio uomo è una canaglia.^[31]

Nel 1971, durante i casting de Il padrino, De Niro fece un provino per il ruolo di Santino "Sonny" Corleone. Nonostante il regista Francis Ford Coppola trovasse la sua audizione "indimenticabile", ^[32] la Paramount impose James Caan.^[33]

Il primo ruolo di rilievo arrivò nel 1973, quando John D. Hancock lo scelse per interpretare un giocatore di baseball affetto da linfoma di Hodgkin nel film Batte il tamburo lentamente. Per prepararsi, De Niro si traferì ad Atlanta per studiare le tecniche del baseball. Il film rappresentò il suo primo successo cinematografico e la sua interpretazione fu ampiamente lodata dalla critica.^[34]

Nello stesso anno avvenne uno degli incontri più importanti per il percorso artistico di De Niro: l’amico Brian De Palma gli presentò il giovane regista Martin Scorsese, che lo scelse per affiancare Harvey Keitel in Mean Streets – Domenica in chiesa, lunedì all’inferno, nel ruolo di John “Johnny Boy” Civello. La sua interpretazione è spesso citata come un ruolo chiave, sia per l’avvio della collaborazione con Scorsese sia per il consolidarsi dell’immagine di De Niro come interprete di personaggi gangster.^[35][36][37] Il film segnò inoltre l’inizio di uno dei sodalizi più significativi della storia del cinema, che avrebbe portato De Niro e Scorsese a collaborare in dieci film e a instaurare un duraturo rapporto di amicizia.^[37]

Nel 1974 Francis Ford Coppola lo scelse per interpretare il giovane don Vito Corleone ne Il padrino – Parte II; per questo ruolo De Niro vinse il suo primo premio Oscar come miglior attore non protagonista. Il personaggio era già valso un Oscar a Marlon Brando, miglior attore protagonista ne Il padrino (1972). Fu la prima volta che due attori ricevettero un Oscar per aver interpretato lo stesso personaggio in film diversi.^[38][39]

De Niro si affermò presso il pubblico internazionale come uno dei principali talenti emergenti della Nuova Hollywood, insieme ad attori quali Jack Nicholson, Al Pacino, Dustin Hoffman e Gene Hackman.^[40][41]

Nel 1975 fu scritturato per due produzioni di rilievo: il colossal Novecento di Bernardo Bertolucci e Taxi Driver di Scorsese. Il film di Bertolucci, ambientato all’inizio del XX secolo e incentrato sul conflitto tra braccianti agricoli e grandi proprietari terrieri, vantava un cast che comprendeva, tra gli altri, Gérard Depardieu, Burt Lancaster e Donald Sutherland. Durante la settimana lavorava sul set di Novecento in Italia, mentre nei fine settimana tornava negli Stati Uniti per girare Taxi Driver.^[1][42]

Il protagonista di Taxi Driver, Travis Bickle, un reduce del Vietnam e tassista notturno affetto da problemi psicologici, è considerato uno dei ruoli più rappresentativi della carriera dell’attore italoamericano. Per prepararsi alla parte, De Niro lavorò come tassista a New York. Il film è noto anche per la celebre battuta «Stai parlando con me?» (“You talkin’ to me?”), improvvisata dall’attore sul set e divenuta una delle scene più iconiche del cinema.^[43] L'interpretazione gli valse una candidatura all’Oscar come miglior attore, mentre Taxi Driver vinse la Palma d’oro al Festival di Cannes.^[44][42]

Nello stesso anno De Niro collaborò anche con il regista Elia Kazan in Gli ultimi fuochi, ultimo lungometraggio del cineasta, che tuttavia non riscosse grande entusiasmo da parte di critica e pubblico.^[45]

La collaborazione con Martin Scorsese si rinnovò nel 1977 con il musical New York, New York, in cui De Niro recitò accanto a Liza Minnelli. Per interpretare al meglio il sassofonista Jimmy Doyle, imparò a suonare realmente il sassofono.^[46] Nonostante l’ottimo cast, il film si rivelò un clamoroso insuccesso al botteghino e provocò una profonda crisi nel regista.^[47]

De Niro fu scelto dalla Universal Pictures per sostituire Roy Scheider ne Il cacciatore (1978) di Michael Cimino. Recitò con Christopher Walken e Meryl Streep. Nel cast era presente anche John Cazale, malato di cancro ai polmoni; De Niro finanziò il suo compenso per consentirgli di prendere parte al progetto. Le riprese furono travagliate: De Niro cadde da un elicottero riportando delle gravi ferite e subì altri incidenti. Nonostante ciò, le recensioni furono positive e Il cacciatore vinse cinque premi Oscar, tra cui Miglior film e Miglior regista. De Niro ottenne una nuova candidatura come miglior attore protagonista, ma la statuetta fu assegnata a Jon Voight per Tornando a casa.^[48][49]

Nel 1981 De Niro vinse il premio Oscar come miglior attore per l'interpretazione del pugile italoamericano Jake LaMotta in Toro scatenato di Martin Scorsese. Per prepararsi al ruolo, si allenò per un anno con lo stesso LaMotta; le riprese subirono un'interruzione di quattro mesi, durante i quali De Niro ingrassò circa trenta chili (da 66 kg a 97 kg), per rappresentare al meglio il pugile a fine carriera.^[50]

L'anno seguente recitò al fianco di Robert Duvall nel noir L'assoluzione (1981), incentrato su due fratelli – uno detective e l'altro prete – a caccia di un killer di prostitute. In seguito tornò a lavorare con Martin Scorsese per la quinta volta in Re per una notte (1983), interpretando Rupert Pupkin, un aspirante comico che elabora un piano per rapire il presentatore di un talk show notturno (interpretato da Jerry Lewis) allo scopo di garantirsi una parte nello spettacolo. All’uscita il film fu un insuccesso, ma in seguito venne rivalutato ed è oggi considerato un cult.^[51]

Il regista Sergio Leone scelse De Niro come protagonista del colossal C'era una volta in America (1984). Attraverso l'uso dell'analessi e dalla prolessi, il film narra l'ascesa e la caduta di David "Noodles" Aaronson, gangster ebreo, dagli anni venti agli anni sessanta. C'era una volta in America fu presentato fuori concorso in anteprima al Festival di Cannes 1984, dove ricevette una standing ovation di circa 15 minuti^[52] e fu accolto positivamente dalla critica e dal pubblico internazionale. Negli Stati Uniti la pellicola fu distribuita in una versione tagliata e riorganizzata, contraria alle intenzioni del regista, che non incontrò il favore del pubblico e si rivelò un insuccesso commerciale.^[53] Con il tempo, grazie al ripristino della versione più lunga e originale, il film è stato rivalutato dalla critica e dal pubblico ed è considerato uno dei capolavori del genere gangster.^[54][55]

Dopo aver recitato con Meryl Streep e Dianne Wiest nel film romantico Innamorarsi,^[56] De Niro interpretò un idraulico nel fantascientifico e distopico Brazil, diretto nel 1985 dal regista britannico Terry Gilliam.^[57]

Nel 1986 De Niro interpretò un ex mercante di schiavi che, redento, cerca di proteggere i Guaraní dagli interessi dei colonizzatori spagnoli nel film storico Mission, diretto da Roland Joffé, con Jeremy Irons e Liam Neeson. Il film, la cui colonna sonora fu composta da Ennio Morricone, vinse la Palma d’oro al Festival di Cannes.^[58][59]

Nel 1987 De Niro vestì i panni di uno dei personaggi più noti della sua carriera, Al Capone, il celebre boss del crimine di Chicago e figura storica del proibizionismo, in The Untouchables - Gli intoccabili di Brian De Palma, recitando accanto a Kevin Costner e Sean Connery.^[60] Il film ottenne un buon riscontro commerciale, incassando oltre 76 milioni di dollari al botteghino statunitense.^[61]

Successivamente, con Mickey Rourke prese parte al thriller Angel Heart - Ascensore per l'inferno, nel ruolo di Lucifero. In seguito fu diretto da Martin Brest in Prima di mezzanotte, stavolta nella parte di un cacciatore di taglie che insegue un ragioniere, reo di aver sottratto un'ingente somma a un boss mafioso. Il film fu un successo di critica e pubblico. ^[62]

Nel 1989 fu il protagonista del dramma Jacknife - Jack il coltello e della commedia Non siamo angeli, in quest’ultimo recitando accanto all'amico Sean Penn.^[63]

Nel 1990 torna a lavorare con Martin Scorsese nel film Quei bravi ragazzi, dove De Niro interpreta magistralmente il ruolo del gangster Jimmy Conway e per il quale viene nominato al BAFTA come miglior attore protagonista. Il film è recitato accanto a Ray Liotta e Joe Pesci, che per questo film si aggiudicherà il premio Oscar come miglior attore non protagonista. Nello stesso anno è il protagonista del film romantico Lettere d'amore, accanto a Jane Fonda e del drammatico Risvegli, accanto a Robin Williams, per il quale viene nominato al Golden Globe e al premio Oscar. L'anno seguente torna a collaborare con Scorsese in Cape Fear - Il promontorio della paura, dove recita accanto a Nick Nolte e Jessica Lange. Nel film interpreta lo psicopatico Max Cady, ex carcerato e ora assetato di vendetta nei confronti dell'avvocato che lo ha fatto finire in prigione. Grazie a questa interpretazione è stato candidato al Golden Globe e al premio Oscar.

Nel 1993 produce, dirige e interpreta Bronx (A Bronx Tale). È il suo esordio alla regia, e il film si rivela un grande successo. La sceneggiatura è scritta da Chazz Palminteri ed è tratta da un lavoro teatrale dello stesso attore.

Sempre nel 1993 è protagonista, insieme a Ellen Barkin e un giovanissimo Leonardo DiCaprio, nella pellicola drammatica Voglia di ricominciare, che consacra il giovane DiCaprio al grande pubblico. L'anno seguente interpreta il mostro di Frankenstein nel film Frankenstein di Mary Shelley, diretto e interpretato da Kenneth Branagh. L'interpretazione della creatura, la quale spicca di umanità e compassione, si ritaglia un ruolo particolare nel genere. Nello stesso anno riceve, insieme a Claudia Cardinale, Steven Spielberg e Roman Polanski alla Mostra internazionale d'arte cinematografica di Venezia, il Leone d'oro alla carriera.

Nel 1995 vanno ricordate due delle sue migliori interpretazioni della sua carriera: interpreta infatti il giocatore professionista Sam "Asso" Rothstein in Casinò, che segna l'ottava collaborazione con Martin Scorsese, dove recita accanto a Joe Pesci e Sharon Stone e interpreta il criminale Neil McCauley nel film Heat - La sfida, del regista Michael Mann, dove De Niro divide lo schermo con un altro grande attore della storia del cinema: Al Pacino. La compresenza dei due attori è uno dei motivi principali del successo del film, in quanto i due attori, pur avendo recitato ne Il padrino - Parte II, non avevano mai girato una scena insieme: con un budget di 60 milioni di dollari il film ha incassato globalmente 187 milioni risultando uno dei maggiori successi dell'attore italoamericano.

L'anno seguente è il protagonista, insieme a Wesley Snipes nel thriller The Fan - Il mito di Tony Scott, che però si rivela un insuccesso al botteghino. Inoltre recita da co-protagonista nel film thriller Sleepers, in un cast che vede attori come Brad Pitt, Jason Patric, Kevin Bacon, Dustin Hoffman e Vittorio Gassman, e nel drammatico La stanza di Marvin, insieme a Diane Keaton, Meryl Streep e Leonardo DiCaprio. Recita nuovamente con Dustin Hoffman nella commedia Sesso & potere, diretta nuovamente da Barry Levinson (già regista di Sleepers) e interpreta ruoli secondari in Cop Land, con Sylvester Stallone e Harvey Keitel e in Jackie Brown di Quentin Tarantino, in un cast che vede Samuel L. Jackson, Michael Keaton e Bridget Fonda.

Nel 1998 ha recitato nel thriller Ronin, del regista John Frankenheimer. Nel cast, oltre a De Niro, vi sono anche attori, come Jean Reno, Sean Bean e Stellan Skarsgård. Sempre nello stesso anno recita in Paradiso perduto, adattamento del romanzo di Charles Dickens Grandi speranze. L'anno seguente è nella commedia Terapia e pallottole, dove interpreta un boss mafioso in crisi di identità che va in cura da uno psicologo, interpretato da Billy Crystal. Sempre nello stesso anno è il protagonista del dramma Flawless - Senza difetti, accanto a Philip Seymour Hoffman.

Negli anni duemila De Niro recita in molte più commedie del solito. Uno dei suoi più celebri ruoli comici è quello dell'ex-agente della CIA e patriarca di una simpatica famiglia Jack Byrnes, nella trilogia composta da Ti presento i miei (2000), Mi presenti i tuoi? (2004) e Vi presento i nostri (2010), interpretata con Ben Stiller. Nel 2001 però torna a interpretare ruoli seri nei film 15 minuti - Follia omicida a New York, insieme con Edward Burns, e The Score, dove recita nei panni di un ladro professionista con Edward Norton e soprattutto per l'unica volta con Marlon Brando, qui alla sua ultima apparizione cinematografica.

Nel 2004 particolare interesse ha suscitato il film Il ponte di San Luis Rey, dove De Niro ha recitato con F. Murray Abraham, Geraldine Chaplin e Harvey Keitel, poiché è ricordato come il più grande flop della storia del cinema (ha incassato solo 49981$^[64]). Nello stesso anno appare anche nei panni di se stesso nel documentario Fahrenheit 9/11 di Michael Moore e recita nell'horror Godsend - Il male è rinato, riscuotendo tuttavia anche in quest'ultimo caso poca fortuna. Nel 2008 torna per la terza volta, dopo Il padrino - Parte II e Heat - La sfida, a lavorare con Al Pacino nel film poliziesco Sfida senza regole. Il film tuttavia non ottiene il successo di quelli precedenti e anche la critica lo accoglie tiepidamente.

Negli anni 2010 l'attore ha dichiarato di volere alternare d'ora in poi film comici a film più seri, diversamente da quanto ha fatto negli anni precedenti. Nel 2010 recita così nel film Machete di Robert Rodriguez, mentre l'anno seguente torna, dopo 27 anni, a interpretare un film in Italia recitando in Manuale d'amore 3 di Giovanni Veronesi, dove recita in italiano.^[65] Nel 2012, dopo essere stato protagonista del thriller Red Lights, a distanza di 21 anni dalla sua ultima nomination agli Oscar viene candidato come miglior attore non protagonista^[66] per la sua interpretazione ne Il lato positivo - Silver Linings Playbook di David O. Russell (che lo dirigerà anche in American Hustle - L'apparenza inganna, 2013,^[67] e Joy, 2015^[68]), ritrovando così per un momento l'attenzione della critica che negli ultimi quindici anni lo aveva accusato di essersi perso in film di basso profilo. Nel 2014 recita nel thriller Motel, accanto a John Cusack, ma il film si rivela un flop.

Nel 2019 torna a essere diretto da Martin Scorsese nel biografico/drammatico The Irishman, adattamento cinematografico del saggio L'irlandese. Ho ucciso Jimmy Hoffa, scritto da Charles Brandt nel 2004.^[69] e interpreta Murray Franklin nel nuovo cinecomic stand-alone Joker (il suo personaggio in Joker è un tributo a quello da lui stesso interpretato in Re per una notte, con delle citazioni di Taxi Driver).

Nel 1993 esordisce alla regia, autodirigendosi al fianco di Chazz Palminteri nel film Bronx, a cui seguirà nel 2006 The Good Shepherd - L'ombra del potere, in cui si ritaglia stavolta una piccola parte vicino ai protagonisti Angelina Jolie e Matt Damon. Il progetto era stato concepito come il primo film di una trilogia che De Niro intendeva dedicare interamente alla CIA,^[70][71] ma non vi sono stati più sviluppi.

Nel 2002 Jane Rosenthal, Craig Hatkoff e Robert De Niro, in risposta agli attentati dell'11 settembre 2001 al World Trade Center e la conseguente perdita di vitalità dell'area vicina di Tribeca a Manhattan, quartiere nel quale lo stesso De Niro abita da anni, hanno deciso di dare vita a un festival cinematografico per la città di New York, il Tribeca Film Festival,^[72] che in pochi anni, grazie ai nomi eccellenti nell'organizzazione, si è affermato come uno dei più interessanti eventi cinematografici mondiali.^[73]