Robert Zemeckis étudie à l'Université de l'Illinois, puis obtient en 1973 une licence de cinéma à l'USC. Au cours de ses études, ce natif de Chicago écrit, produit et réalise Field of honor, court métrage qui obtient l'Oscar du Meilleur film d'étudiant et décroche une quinzaine de récompenses un peu partout dans le monde.

En 1978, grâce au soutien d'un certain Steven Spielberg, avec lequel il a participé à l'écriture de 1941 et qui deviendra l'un de ses proches, Robert Zemeckis signe son premier long-métrage, la comédie Crazy Day, évocation de la première tournée des Beatles. Il réalise ensuite La Grosse magouille, mais c'est en 1984, avec le film d'aventure A la poursuite du diamant vert, emmené par Michael Douglas, que le cinéaste connaît son premier grand succès public.

Dès lors, Robert Zemeckis accumule les succès, son cinéma de divertissement se mariant régulièrement avec le fantastique, comme dans la saga culte des Retour vers le futur (Retour vers le futur en 1985, Retour vers le futur II en 1989 et Retour vers le futur III en 1990), La Mort vous va si bien (1992), Apparences (2000) ou, avec plus d'ambition, Contact (1997). La face plus humaniste du cinéaste transparaît, elle, dans Forrest Gump (1994), qui obtient six Oscars dont celui du Meilleur réalisateur, et Seul au monde (2000), tous deux portés par Tom Hanks.

Réalisateur, scénariste et producteur de renom, Robert Zemeckis est toujours à l'avant-garde de son art. Sa contribution au cinéma d'animation le confirme : en 1987, il fait sensation avec Qui veut la peau de Roger Rabbit ?, mêlant prises de vues réelles et célèbres héros animés, puis retrouve Tom Hanks en 2004 pour Le Pôle Express et son procédé de "motion capture" qui permet de récréer à la perfection les expressions et les gestes des comédiens en infographie.

Le cinéaste poursuit ses recherches technologiques en 2007 pour La Légende de Beowulf, avec Ray Winstone et Angelina Jolie, puis en 2009 avec Le Drôle de Noël de Scrooge, emmené par Jim Carrey. Zemeckis apprécie aussi de se diversifier comme le montre ses participations en tant que producteur à des projets aussi différents que Real Steel (2011), blockbuster dont le héros est Hugh Jackman, ou au documentaire Behind the Burly Q qui s'intéresse au milieu burlesque.

En 2012, il réalise Flight, porté par un Denzel Washington magistral dans la peau d'un pilote d'avion alcoolique, son premier film entièrement tourné en prises de vues réelles depuis Seul au monde. Trois ans après, il repasse derrière la caméra pour The Walk : Rêver plus haut, un film sur le funambule Philippe Petit qui, en 1974, a traversé le sommet des deux tours du World Trade Center. Il est incarné par Joseph Gordon Levitt. En 2016, le réalisateur convoque Brad Pitt et Marion Cotillard pour Alliés, une histoire d'espionnage se déroulant en 1942.

Parallèlement à ses réalisations, Robert Zemeckis produit plusieurs épisodes des séries Projet Blue Book et Manifest. À partir de la fin des années 2010, ses films ne rencontrent plus le succès escompté. Si Bienvenue à Marwen obtient de bonnes critiques, il est boudé par le public. Ce drame raconte l'histoire vraie de Mark Hogancamp (Steve Carell) qui, après avoir été violemment agressé, se lance, en guise de thérapie, dans la construction de la réplique d'un village belge durant la Seconde Guerre mondiale.

Sacrées sorcières, nouvelle adaptation du célèbre roman de Roald Dahl (déjà porté à l'écran par Nicolas Roeg en 1990) emmenée par Anne Hathaway est un échec commercial et suscite même la polémique, certains lui reprochant de stigmatiser les personnes handicapées. Quant à Pinocchio, adaptation live du classique de l'animation, il sort dans l'indifférence sur la plateforme Disney+.

Toujours désireux d'expérimenter, Robert Zemeckis se livre à un nouvel exercice en 2024 avec Here - Les plus belles années de notre vie : tourné en plan fixe dans un même décor, le métrage filme le temps qui passe à travers le parcours d'un couple, de sa rencontre à ses vieux jours. Le cinéaste retrouve trente ans après Forrest Gump Tom Hanks et Robin Wright, rajeunis numériquement pour l'occasion.