Né dans le Queens à New York de parents Italiens, il a tout d'abord étudié l'Opéra avant qu'un problème à sa voix ne survienne. Il commence alors le théâtre en suivant les méthodes de Lee Strasberg et de Stella Adler . Sa carrière commence réellement en 1977 lorsqu'il joue au côté de Frank Sinatra dans le téléfilm policier Contract on Cherry Street.

Mais c'est son rôle comme l'un des frères Fratelli dans Les Goonies qui le révèle vraiment au public en 1985.

Avec son physique fortement grêlé, intense et mystérieux, Robert Davi a construit sa carrière en interprétant plusieurs personnages de méchants, d'escrots et de policier corrompu tout en s'affirmant dans des comédies dramatiques.

Il enchaîne par la suite les séries TV toujours en interprétant des rôles de vilains, tout en tournant pour le cinéma dans des films comme Le Contrat de John Irvin.

Il apparait dans Piège de cristal et marque les esprits dans son interprétation de Franz Sanchez, faisant face à Timothy Dalton dans le James Bond Permis de tuer. Il a travaillé avec des réalisateurs comme Steven Spielberg , Richard Donner , Blake Edwards , John McTiernan et Paul Verhoeven , parmis tant d'autres.

Après quelques films de série B, il s'impose à la télévision dans le rôle de l'agent FBI Bailey Malone dans Profiler diffusé sur NBC et qui ira jusqu'à 4 saisons. On a aussi pu le voir dans d'autres séries comme Le Caméléon et il rejoint l'équipe de Stargate : Atlantis en 2004 pour quelques épisodes.

Outre sa carrière d'acteur, Davis consacre beaucoup de temps à des actions caritatives telles The Dream Foundation, Heart of a Child Foundation et The National Italian-American Foundation. Il est par la même occasion le porte-parole de I Save America.

Il enchaîne depuis 2007 des long-métrages encore inédit en France.