Timothy Francis Robbins nasce il 16 ottobre 1958 a West Covina, in California, ma si forma nell'ambiente avanguardista di New York. Studia arte drammatica alla UCLA dove si laurea con lode nel 1981. Impegnato politicamente, inizia a lavorare in alcuni film per la tv già nel 1983.
Il suo battesimo cinematografico lo riceve comunque nel 1988 con la commedia sportiva "Bull Durham" di Ron Shelton. In questo lavoro è a fianco di Kevin Costner e sul set conosce Susan Sarandon, con cui inizia una storia sentimentale. Due anni dopo l'attore si impegna con Adrian Lyne nel visionario "Allucinazione perversa", mentre nel 1992 viene incluso nel cast di "I protagonisti" di Robert Altman.
Dopo alcune prove disimpegnate, "Cadillac Man" e "Niente da perdere", lo ritroviamo protagonista di un paradossale "Mr. Hula Hoop" dei fratelli Cohen e di un cupo "Dead Man Walking - Condannato a morte".
Nel 1992 debutta alla regia con "Bob Roberts", un dramma civile pseudo-documentaristico che ritrae in modo impietoso il sistema politico americano.
Nel 1999 ha assunto le vesti di insospettabile terrorista nel film "Arlington Road" (Arlington Road - L'inganno) di Mark Pellington, l'anno successivo ha recitato in "Alta Fedelta'" e in "Mission To Mars - alle Origini della Vita ai Confini Dell'Ignoto" di Brian De Palma, mentre nel 2001 ha lavorato in "S.y.n.a.p.s.e. - Pericolo in Rete" e in "Human Nature", film presentato fuori concorso al Festival di Cannes.
Ha poi girato "Codice 46", "Mystic River" di Clint Eastwood, con cui ha vinto il Golden Globe e l' Oscar 2004 come Miglior Attore Non Protagonista, e "Embedded/Live", film di cui è anche regista.
Ha recitato accanto a Tom Cruise nella pellicola di Steven Spielberg, "La Guerra dei Mondi" (2005), nel film fantasy "Zathura: Un'avventura Spaziale" (2005) e nel lungometraggio spagnolo "La vita segreta delle parole" (2005) di Isabel Coixet.
E' protagonista del film noir "Noise" (2007) di Henry Bean e del film fatasy "Ember - Il mistero della città di luce" (2008).