Redford debutó en la pantalla en Tall Story (1960) con un papel secundario. Las estrellas de la película eran Anthony Perkins, Jane Fonda (su debut) y Ray Walston. Tras su éxito en Broadway, se le asignaron papeles más importantes en el cine. En 1962, Redford obtuvo su segundo papel en el cine en Caza de guerra, y poco después fue elegido junto a la leyenda de la pantalla Alec Guinness en la comedia bélica Situación desesperada… But Not Serious, en la que interpretaba a un soldado que pasa años de su vida escondido tras las líneas enemigas. En Dentro de Daisy Clover (1965), que le valió un Globo de Oro a la mejor estrella revelación, interpretó a una estrella de cine bisexual que se casa con la estrella Natalie Wood, y volvió a reunirse con ella junto a Charles Bronson para Esta propiedad está condenada (1966), de Sydney Pollack, de nuevo como su amante, aunque esta vez en una película que alcanzó un éxito aún mayor. Ese mismo año hizo su primera pareja (en igualdad de condiciones) con Jane Fonda, en The Chase, de Arthur Penn. Esta película marcó la única vez que Redford protagonizaría con Marlon Brando. Fonda y Redford volvieron a formar pareja en la popular versión para la gran pantalla de Descalzos por el parque (1967) y volvieron a ser coprotagonistas mucho más tarde en El jinete eléctrico (1979), de Pollack, a la que siguió, 38 años después, un largometraje de Netflix, Nuestras almas de noche.

Tras este éxito inicial, Redford empezó a preocuparse por su imagen de estereotipo masculino rubio y rechazó papeles en ¿Quién teme a Virginia Woolf? y El graduado. Redford encontró el hueco que buscaba en Butch Cassidy and the Sundance Kid (1969), de George Roy Hill, con guión de William Goldman, en la que formó pareja por primera vez con Paul Newman. La película fue un gran éxito y le convirtió en una estrella importante, consolidando su imagen en la pantalla como un buen tipo inteligente, fiable y a veces sardónico. Aunque Redford no recibió una nominación al Oscar o al Globo de Oro por interpretar a Sundance Kid, sí ganó un premio de la Academia Británica de Cine y Televisión (BAFTA) por ese papel y por sus papeles en Downhill Racer (1969) y Tell Them Willie Boy Is Here (1969). Estas dos últimas películas y las posteriores Little Fauss and Big Halsy (1970) y The Hot Rock (1972) no tuvieron éxito comercial. La sátira política El candidato (1972) fue un éxito moderado de taquilla y de crítica.

A partir de 1973, Redford experimentó una racha de cuatro años de éxito en taquilla casi sin precedentes. Los ingresos en taquilla del western Jeremiah Johnson (1972) desde principios de 1973 hasta su segundo reestreno en 1975 la habrían colocado como la segunda película más taquillera de 1973. El drama romántico de época con Barbra Streisand, Tal como éramos (1973), fue la undécima película más taquillera de 1973. El reencuentro con Paul Newman, El golpe (1973), se convirtió en la película más taquillera de 1974 y en una de las 20 más taquilleras de todos los tiempos, ajustada a la inflación, y le valió a Redford la única nominación de su carrera al Oscar al mejor actor. El drama romántico El gran Gatsby (1974) fue la octava película más taquillera de 1974. Además, Butch Cassidy and the Sundance Kid, de 1969, fue la décima película más taquillera de 1974, ya que se reestrenó debido a la popularidad de The Sting. En 1974, Redford se convirtió en el primer actor desde Bing Crosby en 1946 en tener tres películas entre los diez títulos más taquilleros de un año. Cada año, entre 1974 y 1976, los exhibidores de cine votaron a Redford como la estrella más taquillera de Hollywood. En 1975, las películas de éxito de Redford incluyeron el drama de aviación de los años 20, El gran Waldo Pepper (1975), y el thriller de espionaje Los tres días del cóndor (1975), junto a Faye Dunaway, que terminaron en los puestos 16 y 17 de la taquilla de 1975, respectivamente. En 1976 coprotagonizó con Dustin Hoffman la segunda película más taquillera del año, la aclamada Todos los hombres del presidente. En 1975, 1977 y 1978, Redford ganó el Globo de Oro a la estrella cinematográfica mundial favorita, un premio basado en la popularidad que ya no se concede.

Todos los hombres del presidente (1976), en la que Redford y Hoffman interpretan a los reporteros del Washington Post Bob Woodward y Carl Bernstein, fue una película histórica para Redford. No sólo fue el productor ejecutivo y coprotagonista, sino que la seriedad del tema de la película -el escándalo Watergate- y su intento de crear un retrato realista del periodismo también reflejaron la preocupación del actor por las causas políticas fuera de la pantalla. La película obtuvo ocho nominaciones a los premios de la Academia, entre ellas a la mejor película y al mejor director (Alan J. Pakula), y ganó el premio al mejor guión (Goldman). De hecho, ganó el premio de los críticos de cine de Nueva York a la mejor película y al mejor director.

En 1977 Redford apareció en un segmento de la película bélica Un puente demasiado lejano (1977). A continuación, se tomó un descanso de dos años del cine, antes de protagonizar una estrella de rodeo pasada de vueltas en la aventura-romance El jinete eléctrico (1979). Esta película le reunió con Jane Fonda y terminó en el número 9 de la taquilla de 1980. Ese mismo año apareció en el drama carcelario Brubaker (1980), interpretando a un director de prisiones que intenta reformar el sistema. Además, su debut como director, Gente corriente, que seguía la desintegración de una familia estadounidense de clase alta tras la muerte de un hijo, fue una de las películas más aclamadas por la crítica y el público de la década, ganando cuatro Oscar, incluido el de mejor director para el propio Redford, y el de mejor película.

Poco después, protagonizó el drama de béisbol El natural (1984). Memorias de África (1985), de Sydney Pollack, con Redford en el papel principal masculino frente a Meryl Streep, se convirtió en un gran éxito de taquilla (la recaudación combinada de 1985 y 1986 la situó en el número 5 de 1986), ganó un Globo de Oro a la Mejor Película y obtuvo siete Oscars, incluido el de Mejor Película. Streep fue nominada como mejor actriz, pero Redford no recibió ninguna nominación. La película resultó ser el mayor éxito de Redford de la década y la más exitosa de sus siete películas juntas.

La siguiente película de Redford, Águilas legales (1986) junto a Debra Winger, fue sólo un éxito menor en la taquilla. Después de eso, su segundo proyecto como director, La guerra de los frijoles de Milagro (1987), no logró generar el mismo nivel de atención que Gente corriente.

Redford continuó como una estrella importante a lo largo de las décadas de 1990 y 2000. Estrenó su tercera película como director, A River Runs Through It (Un río pasa), en 1992, que supuso la vuelta al éxito de Redford como director y llevó a un joven Brad Pitt a una mayor prominencia. En 1993, Redford interpretó lo que se convirtió en uno de sus papeles más populares y reconocidos, protagonizando Propuesta indecente como un empresario millonario que pone a prueba la moral de una pareja; la película se convirtió en uno de los mayores éxitos del año. Actuó junto a Michelle Pfeiffer en la película romántica Up Close & Personal (1996), y con Kristin Scott Thomas y una joven Scarlett Johansson en The Horse Whisperer (1998), que también dirigió. Redford también continuó trabajando en películas de contexto político, como La Habana (1990), interpretando a Jack Weil, un jugador profesional en la Cuba de 1959 durante la Revolución, así como Sneakers (1992), en la que coprotagonizó con River Phoenix y Sidney Poitier, su primera unión con la estrella que había experimentado el éxito cinematográfico varios años antes de Redford.

Apareció como un general del ejército caído en desgracia enviado a prisión en el drama carcelario El último castillo (2001), dirigido por Rod Lurie. Ese mismo año, Redford volvió a formar equipo con Brad Pitt en Juego de espías, otro éxito para la pareja pero con Redford cambiando esta vez de director a actor. Durante ese tiempo, planeó dirigir y protagonizar una secuela de El Candidato, pero el proyecto nunca se llevó a cabo. Redford, un destacado activista medioambiental, narró el documental IMAX Sacred Planet (2004), un amplio viaje por todo el mundo a algunos de sus lugares más exóticos y en peligro de extinción. En The Clearing (2004), un thriller coprotagonizado por Helen Mirren, Redford era un exitoso hombre de negocios cuyo secuestro desvela los secretos e insuficiencias que le llevaron a alcanzar el Sueño Americano.

Redford volvió a producir con The Motorcycle Diaries (2004), una película de carretera sobre un joven estudiante de medicina, Ernesto «Che» Guevara, y su amigo Alberto Granado. También exploraba las cuestiones políticas y sociales de Sudamérica que influyeron en Guevara y moldearon su futuro. Tras cinco años de rodaje, el director Walter Salles atribuyó a Redford el mérito de haber sido el artífice de su realización y estreno.

Redford en 2005

Vuelve a ponerse delante de la cámara, Redford recibió buenas críticas por su papel en Una vida inacabada (2005), del director Lasse Hallström, en el que interpreta a un ranchero cascarrabias que se ve obligado a acoger a su nuera separada (Jennifer López) -a la que culpa de la muerte de su hijo- y a la nieta que nunca supo que tenía cuando huyeron de una relación abusiva. La película, que permaneció en la estantería durante muchos meses mientras se reestructuraba su distribuidora, Miramax, fue tachada en general de tópica y excesivamente sentimental. Mientras tanto, Redford volvió a un territorio conocido cuando se reencontró con Meryl Streep, 22 años después de que protagonizaran Memorias de África, para su proyecto personal Leones por corderos (2007), que también protagonizó Tom Cruise. Tras un gran despliegue publicitario, la película se estrenó con críticas mixtas y una taquilla decepcionante.

Redford apareció en el documental de 2011 Buck, de Cindy Meehl, en el que hablaba de sus experiencias con el tema del título, Buck Brannaman, durante la producción de El hombre que susurraba a los caballos. En 2012, Redford dirigió The Company You Keep, en la que protagonizó a un antiguo activista de Weather Underground que se da a la fuga después de que un periodista descubra su identidad. En 2013, protagonizó All Is Lost, dirigida por J.C. Chandor, sobre un hombre perdido en el mar. Recibió elogios por su actuación en la película, en la que es su único miembro del reparto y casi no hay diálogos. Redford fue nominado al Globo de Oro, su primera nominación a mejor actor en un Globo de Oro, y ganó el premio del Círculo de Críticos de Cine de Nueva York al mejor actor, la primera vez que ganaba un premio de interpretación de ese grupo (había sido nominado en 1969 por Downhill Racer).

En abril de 2014, Redford apareció en la película de superhéroes de Marvel Studios Capitán América: El soldado de invierno interpretando a Alexander Pierce, el jefe de S.H.I.E.L.D. y líder de la célula de Hydra que opera el Triskelion. Redford fue coproductor y, junto con Emma Thompson y Nick Nolte, coprotagonista de la película de 2015 de Broad Green Pictures Un paseo por el bosque, basada en el libro homónimo de Bill Bryson. Redford había adquirido los derechos cinematográficos del libro de Bryson después de leerlo más de una década antes, con la intención de protagonizarlo junto a Paul Newman, pero archivó el proyecto tras la muerte de éste. Ese mismo año, interpretó al presentador de noticias Dan Rather en La verdad, de James Vanderbilt, junto a Cate Blanchett. En 2016, asumió el papel secundario de Mr. Meacham en el remake de Disney Pete’s Dragon.

Redford protagonizó El descubrimiento y Nuestras almas de noche, ambas estrenadas en streaming por Netflix en 2017. Esta última película, que también fue producida por Redford, lo reunió por cuarta vez con su coprotagonista Jane Fonda y cosechó críticas positivas. Redford interpretó al atracador de bancos Forrest Tucker en la película de drama El viejo & la pistola, que se estrenó en septiembre de 2018, y por la que recibió una nominación al Globo de Oro. En agosto de 2018, Redford anunció su retirada de la actuación tras la finalización de la película. Retomó brevemente su papel de Alexander Pierce para un cameo en Vengadores: Endgame, rodada en 2017 antes de la finalización de la anterior película.