Robert Mitchum nacque  da James Thomas Mitchum, un lavoratore nei cantieri portuali e ferroviari, e da Ann Gunderson, la figlia di un capitano della marina norvegese immigrato in America. Il padre morì in un incidente ferroviario quando Robert aveva solo 18 mesi costringendo Ann a trovare lavoro presso un giornale come linotipista. Ebbe un' infanzia turbolenta. Nel 1929, Ann mandò Robert a vivere con i nonni a Felton (Delaware), ma il ragazzino fu subito espulso dalla scuola media per essersi azzuffato con il preside. Un anno dopo, nel 1930, Robert si trasferì con la sorella maggiore, la cameriera e attrice teatrale Julie (in origine Annette) Mitchum, a New York. Dopo essere stato espulso anche dalla Haaran High School, Robert iniziò a viaggiare attraverso gli Stati Uniti, spostandosi su vagoni ferroviari e in autostop, e mantenendosi con innumerevoli impieghi occasionali, quali il minatore, lo scaricatore di porto, il pugile professionista, lo sterratore per i Civilian Conservation Corps.A Savannah (Georgia), fu arrestato per vagabondaggio e messo ai lavori forzati per sei giorni con un gruppo di detenuti. In quella stessa località, molti anni più tardi, avrebbe girato il film Il promontorio della paura (1962), nei panni proprio di un detenuto. Mitchum riuscì a scappare senza scontare del tutto la pena e ritornò dalla sua famiglia nel Delaware. Fu a quel punto della sua vita, mentre si riprendeva da vari infortunii, che incontrò la donna che poi avrebbe sposato, l'allora adolescente Dorothy Spence. Nel 1936 Mitchum andò a vivere con sua sorella Julie a Long Beach (California), dove i due furono presto raggiunti dagli altri familiari. Fu Julie che lo convinse ad unirsi alla locale cooperativa teatrale.  Mitchum dimostrò un notevole talento per la poesia, scrivendo testi radiofonici, canzoni e monologhi per le esibizioni di sua sorella Julie nei nightclub. Nel 1939 compose un oratorio che, grazie al finanziamento di Orson Welles, venne eseguito all'Hollywood Bowl. Nel 1940 ritornò all'est per sposare Dorothy e la portò con sé in California. Alla nascita del primo figlio Jim, soprannominato Josh (a cui seguiranno altri due figli, Christopher e Petrine), Robert ottenne un lavoro fisso come operatore macchinista. In seguito Mitchum venne assunto per recitare la parte del cattivo in molti film della serie tra il 1942 e il 1943. Dopo il western Nevada (1944), che non ottenne un grande successo,  I forzati della gloria (1945) fu un successo immediato di critica e di pubblico. Nel 1946, ebbe quattro nomination per gli Oscar.  Mitchum recitò poi in Tragico segreto (1946). Il segreto del medaglione (1946)(, Notte senza fine (1947),  Odio implacabile, 1947, fu uno dei film più acclamati dalla critica in quell'anno, con ben cinque nomination agli Academy Awards. Nell'agosto del 1948, al culmine del successo, Mitchum fu arrestato dagli ufficiali della narcotici per possesso di marijuana e condannato a 60 giorni di lavori forzati in una fattoria di Castaic (California). Si scoprì poco tempo dopo che Mitchum era stato denunciato da alcuni funzionari di Los Angeles in caccia di pubblicità. Nel 1951 il legale di Mitchum, Jerry Geisler, ottenne una revisione del caso.  Nel 1954 fece coppia con Marilyn Monroe nel romantico e avventuroso film La magnifica preda (1954. L'interpretazione del violento criminale Max Cady nella pellicola Il promontorio della paura (1962), riportò su Mitchum l'attenzione del pubblico. Mitchum apparve  nel kolossal bellico Il giorno più lungo (1962), epopea dello Sbarco in Normandia. Robert Mitchum si allontanò dal suo personaggio tipico con il classico La figlia di Ryan (1970). Il film fu nominato per quattro Premi Oscar (vincendone due). Mitchum si dedicò anche alla televisione con Venti di guerra (1983), miniserie televisiva. Nello stesso anno Mitchum tornò al grande schermo come memorabile co-protagonista di Bill Murray in S.O.S. Fantasmi (1988), rilettura di Canto di Natale. Nel 1991 ottenne il premio alla carriera dal National Board of Review e nel 1992 il premio Cecil B. DeMille Award dai Golden Globe Awards. Pur continuando ad apparire in diversi film negli anni novanta, Mitchum rallentò gradualmente i suoi ritmi di lavoro. Morì  a Santa Barbara, California per un enfisema e per le complicazioni di un tumore ai polmoni. Lasciò la moglie Dorothy, i figli James e Christopher (entrambi attori) e la figlia Trini. Anche i suoi nipoti Bentley Mitchum e Carrie Mitchum sono attori. Si è largamente pensato, per almeno un decennio, che la sua morte avrebbe fatto riscoprire i suoi film ma la morte di James Stewart, avvenuta il giorno dopo, oscurò immediatamente la morte di Mitchum dai mezzi di informazione principali