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 néanmoins marquer la suite de sa carrière. Cliff Robertson fait en effet 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.

A la fin des années 60, l'acteur cherche à se démarquer des films de guerre et tourne dans le drame Charly en 1968. C'est la consécration : il est nominé aux Golden Globe 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, où il sera, en plus d'être l'interprète principal, le réalisateur, le scénariste et le producteur.

L'acteur tourne également avec les plus grands, comme pour Les Trois jours du Condor de Sydney Pollack en 1975 ou Obsession de Brian De Palma en 1976.

Cliff Robertson a toujours énormément privilégié dans sa carrière les westerns ou les films d'action que ce soit avec La Légende de Jesse James en 1972 ou pour le musclé Malone en 1987, qui l'oppose à Burt Reynolds. Il a d'ailleurs joué dans le film Los Angeles 2013 en 1996 et est à l'affiche de Spider-Man en 2002.