Fils du chanteur folk Gil Robbins, Tim Robbins baigne dans un univers artistique dès son plus jeune âge. Encouragé par sa famille, il intègre une troupe de théâtre new-yorkaise à douze ans. Il fait ensuite ses études en Californie à U.C.L.A, où il forme l'Actor's Gang avec d'autres comédiens.

Après une apparition non créditée en assassin dans Network, main basse sur la télévision en 1976, Tim Robbins effectue ses véritables débuts devant la caméra en 1986 avec Top gun et Howard. C'est toutefois son interprétation d'un joueur de base-ball dans Duo à trois (1988) de Ron Shelton qui lui vaut les louanges du public et de la critique. C'est durant le tournage de ce film qu'il fait la rencontre de sa future compagne, Susan Sarandon. Il poursuit sa carrière en endossant le rôle-titre de Erik le Viking (1989), puis connaît la consécration en montrant l'aspect dramatique de son jeu dans L'Echelle de Jacob (1990) d'Adrian Lyne.

Continuant sur sa lancée, il remporte en 1992 le Prix d'interprétation masculine à Cannes et le Golden Globe du Meilleur acteur pour The Player de Robert Altman, fait Le Grand saut pour les frères Joel et Ethan Coen et joue brillamment Les Evadés sous la direction de Frank Darabont. Parallèlement à sa carrière de comédien, Tim Robbins met en scène en 1992 son premier film, Bob Roberts, une satire politique sur un candidat sénateur d'extrême droite, l'occasion pour lui d'afficher son attachement au parti démocrate. Avec son deuxième long métrage, La Dernière marche (1995), c'est la peine de mort, un thème tout aussi grave, qu'il aborde, encouragé par les prestations poignantes de Susan Sarandon et Sean Penn. Suivra Broadway 39e rue, présenté en compétition au Festival de Cannes en 1999.

A partir de la fin des années 90, Tim Robbins s'impose difficilement en tête d'affiche et doit souvent se contenter de personnages secondaires : voisin peu recommandable dans Arlington road (1999) ou astronaute perdu dans l'espace dans Mission to Mars (2000), il n'hésite pas à jouer la carte de la dérision pour Human nature (2001) de Michel Gondry. Gagnant les faveurs de Clint Eastwood, il décroche, aux côtés de Sean Penn et Kevin Bacon, l'un des trois rôles principaux du polar Mystic river (2003), avant de se retrouver impliqué dans une Guerre des mondes (2005) déclenchée par Steven Spielberg. Revenant vers un registre plus intimiste après Zathura, il noue avec Sarah Polley une relation pour le moins intense sur la plate-forme pétrolière du drame The Secret life of words (2006).