Pour son premier rôle, Rob Morrow partage l'affiche de la comédie Private Resort en 1985 avec le jeune Johnny Depp, encore inconnu à Hollywood. Morrow passe au petit écran la même année en apparaissant dans un épisode de Fame. Après un personnage régulier dans la courte série Tattinger's (1989), il obtient le premier rôle de Bienvenue en Alaska en 1990. Il y incarne pendant 6 saisons un jeune diplômé en médecine contraint d'exercer dans un petit village d'Alaska. En 2002, il est chargé des libertés conditionnelles dans Street Time avant de rejoindre le FBI trois ans plus tard dans Numb3rs. À nouveau dans le rôle principal, il y interprète l'agent Don Eppes, frère d'un génie en mathématiques (David Krumholtz) qui l'aide à résoudre des affaires.

Sans délaisser le cinéma, il tourne sous la direction de Robert Redford en 1994 dans Quiz Show, puis devient l'avocat de la condamnée à mort Sharon Stone dans Dernière danse (1996). Face à Kyra Sedgwick dans la comédie Labor Pains (2000), il participe ensuite au Club des empereurs (2002) avec Kevin Kline.

Après s'être essayé derrière la caméra en 1993 dans le court métrage The Silent Alarm, Rob Morrow s'offre le premier rôle du film indépendant Maze (2000), qu'il écrit, réalise et produit. À partir de 2002, il se lance dans la réalisation d'épisodes, avec à son actif des séries comme Oz, Street Time, Le Monde de Joan et Numb3rs.