Robert Loggia plante zunächst eine Journalisten-Karriere, entschied sich dann jedoch für ein Schauspielstudium an dem New Yorker Actors Studio. Sein erster wichtiger Broadway-Auftritt war 1955 eine Rolle in dem Drama "Der Mann mit dem goldenen Arm", das im gleichen Jahr mit Frank Sinatra verfilmt wurde.
Ein Jahr später war Loggia in seinem ersten Film zu sehen: In "Eine Hand voll Dreck" von Robert Wise spielt er an der Seite von Paul Newman und Steve McQueen. Danach spielte er die Titelrolle in der Walt-Disney-Western-Serie "The Nine Lives of Elfego Baca" (1958) und fast zehn Jahre später in "T.H.E. Cat" (1967).
Sein Durchbruch als erfolgreicher Charakterdarsteller gelang Loggia aber erst, als er sein Toupet ablegte. Fortan war er in vielen Rollen zu sehen, oft als Mann, von dem eine bedrohliche Atmosphäre ausgeht. Wer erinnert sich nicht an seinen Auftritt als tyrannischer Vater von Richard Gere in "Ein Offizier und Gentleman" (1981), oder als Oberschurke in Blake Edwards' "Der Fluch des rosaroten Panthers" (1983). Bemerkenwert waren auch seine Auftritte als Mafia-Mitglied in Brian De Palmas "Scarface" (1983) und in John Hustons "Die Ehre der Prizzis" (1985).
Eine Oscar-Nominierung erhielt Robert Loggia für sein überzeugendes Spiel als Detektiv in Richard Marquards spannendem Thriller "Das Messer" (1985). Unvergessen ist auch Loggias Part in Penny Marshalls Erfolgskomödie "Big" (1988), in der er als Spielzeugfabrikant mit Tom Hanks auf einem gigantischen Keyboard tanzt.
Weitere Filme mit Robert Loggia: "Ums nackte Leben" (1957), "Polizistenhasser", "Das rote Telefon... Alarm!" (beide 1958), "Revolverhelden von Wyoming" (1962), "Die größte Geschichte aller Zeiten" (1963), "The Three Sisters" (1966), "Che!" (1969), "Zwei Missionare" (1974), "Columbo - Wenn der Schein trügt" (1975), "Mord auf offener Straße", "Mallory", "Scott Free", "Arthur Hailey's The Moneychangers" (alle 1976), "Junge Liebe", "Speedtrap - Einsteigen, starten, abhauen", "...die keine Gnade kennen" (alle 1977), "Inspektor Clouseau, der irre Flic mit heißem Blick" (1978), "Not Over Love", "Plattfuß am Nil" (beide 1979), "Casino", "The Ninth Configuration" (beide 1980), "S.O.B. - Hollywoods letzter Heuler" (1981), "Golda Meir", "Psycho II", "Der Rosarote Panther wird gejagt" (alle 1982), "Der Fluch des rosaroten Panthers", "Overnight Sensation" (alle 1983), "Die fatale Affäre der Katherine G." (1984), "Nacht der Vergeltung" (1985), "Danny, immer fünf Minuten zu spät", "That's Life - So ist das Leben", "Zwei unter Volldampf" (alle 1986), "Over the Top", "Das Ritual", "Conspiracy", "Echoes In The Darkness", "Gaby - Eine wahre Geschichte" (alle 1987), "Die Chaotenspione", "Intrigue", "Um jeden Preis", "Oliver & Co." (Stimme im Original), "Und dennoch leben sie" (alle 1988), "Den Träumen keine Chance", "Der Sunset-Killer", "Triumph des Geistes - Ein Boxer in der Hölle" (alle 1989), "Der Unglücksritter", "Manche mögen's doof" (alle 1990), "Die blonde Versuchung", "Fäuste - Du musst um dein Recht kämpfen", "Armadillo Bears - Ein total chaotischer Haufen" (alle 1991). "Bloody Marie - Eine Frau mit Biss", "Starfighter des Todes" (beide 1992), "Abgestürzt im Dschungel", "Die Terrorkapsel", "SOS über dem Pazifik", "Wild Palms" (alle 1993), "Bad Girls", "Cold Blooded", "Der unsichtbare Tod", "I Love Trouble - Nichts als Ärger", "Lassiter - Mord in New Orleans", "Man With A Gun", "Reißende Strömung - Rafting Trip ins Verderben", "Zwische Gesetz und Begierde" (alle 1994), "Im Auge des Sturms" (1995), "Independence Day", "Pandora's Clock - Killerviren an Bord der 747", "Trial - Ein Bulle schlägt zurück" (alle 1996), "Fliegenfänger", "Joe Torre - Baseball ist sein Leben", "Der Psycho-Pate", "Fräulein Smillas Gespür für Schnee", "Lost Highway" (alle 1997), "Der Guru", "Logan: Ein Bulle unter Verdacht", "Wide Awake", "Wunsch und Wirklichkeit" (alle 1998), "Jeanne d'Arc - Die Frau des Jahrtausends", "Logan - Das zweite Gesicht", "Bonanno: A Godfather's Story", "Freespace 2" (Stimme), "The Suburbans" (alle 1999), "Die amerikanische Jungfrau", "Zurück zu dir", "All Over Again" (alle 2000), "Dodon's Journey" und "The Shipment" (beide 2001).