Cliff Robertson débute sa carrière aux côtés de Robert Mitchum dans le film de guerre We've never been licked en 1943. Cette figuration allait marquer la suite de sa carrière, Cliff Robertson fait très souvent partie de la distribution des films de guerre de l'époque : Les Nus et les morts en 1958, Battle of the Coral Sea en 1959, ou encore PT 109 en 1963, où il est personnellement choisi par le président John Fitzgerald Kennedy pour incarner son rôle. Cette prédilection pour le cinéma d'action (La Brigade du diable) ne l'empêche pas de s'aventurer dans le film noir (Les Bas-fonds new-yorkais de Fuller) ou dans l'univers délicieusement pervers de Joseph L. Mankiewicz (Guêpier pour trois abeilles, où il campe le valet manipulateur de Rex Harrison). A la fin des années 60, l'acteur accepte le rôle d'un simple d'esprit le drame Charly en 1968. C'est la consécration : il est nommé aux Golden Globes et remporte l'Oscar du meilleur acteur. Cette renommée lui permet de monter un projet qui lui tient à coeur : le western J. W. Coop, dont il sera, en plus d'être l'interprète principal, le réalisateur, le scénariste et le producteur.

La décennie 1970 est émaillée de quelques grandes réussites. Robertson se produit dans Les Trois jours du Condor de Sydney Pollack, La Légende de Jesse James de Philip Kaufman, et surtout Obsession de Brian De Palma. Sous la direction de l'émule d'Alfred Hitchcock, le comédien compose un personnage prisonnier d'une fascination mortifère. Après une longue éclipse, zébrée tout de même de belles pépites SF (Brainstorm, Los Angeles 2013), Robertson s'impose aux jeunes générations dans le rôle Ben Parker, l'oncle affectueux et protecteur de Peter Parker, alias Spider-Man (2002).