Après avoir étudié à la "Chicago Academy for the Performing Arts", Robin Tunney s'envole vers Hollywood. Elle débute sur le petit écran dans le téléfilm Frog (1987), rôle qu'elle reprend quatre ans plus tard dans sa suite (Frogs!, 1991). Elle rend ensuite visite à Corky, un adolescent pas comme les autres (1991) et Perry Mason (1992) avant de rejoindre la Promo 96 (1993), série qui ne dépasse pas sa première saison sur la Fox. Autre série même destin quelques semaines plus tard, dans Cutter (1993).

Robin Tunney se fait remarquer en 1995 pour son interprétation d'une jeune fille suicidaire dans la comédie dramatique Empire Records. Dès lors, elle se voit proposer des rôles principaux, comme dans Dangereuse Alliance (1996) où elle joue les sorcières gothiques avec Fairuza Balk, Neve Campbell et Rachel True. Récompensée pour sa performance dans Niagara, Niagara (1997), l'actrice partage ensuite l'affiche de Julian Po (1997) avec Christian Slater.

Sous la protection rapprochée d'Arnold Schwarzenegger, Robin Tunney causera La Fin des temps (1999) si Satan réussit à l'enfanter. Suivent le vertigineux Vertical Limit (2000), puis un premier rôle dans la comédie dramatique Cherish (2002). En 2005, elle est confrontée au dangereux tueur en série The Zodiac, qui a réellement terrorisé les États-Unis dans les années 60-70, sans jamais être démasqué.

Sa riche carrière cinématographique n'empêche pas l'actrice de jouer aussi à la télévision. Après un rôle de guest-star dans le pilote du Dr House (2004), elle s'établit en 2005 dans Prison Break pour reprendre l'enquête qui a injustement envoyé son ex petit ami (Dominic Purcell) dans le couloir de la mort.