Robert Dornhelm wurde 1947 in Timisoara (Rumänien) geboren und emigrierte 1961 mit seiner Familie nach Österreich. Von 1965 bis 1967 studierte er an der Universität für Musik und darstellende Kunst, Abteilung Film und Fernsehen, in Wien und arbeitete anschließend bis 1975 als Dokumentarfilmregisseur für den ORF.
Sein Debütfilm "The Children of Theatre Street" (1977) brachte ihm eine Oscar-Nominierung in der Kategorie "Bester Dokumentarfilm" ein. Nach diesem Erfolg verlegte Robert Dornhelm seinen Arbeits- und Lebensmittelpunkt nach Los Angeles, wo er u. a. Filme wie "She Dances Alone" (1981) oder "Digital Dreams" machte. Mit seinem Spielfilm "Echo Park" (1986) konnte Dornhelm sowohl in den USA als auch in Europa Erfolge feiern. 1990 kam der Regisseur nach Europa, um den Semidokumentarfilm "Requiem für Dominique" zu realisieren. Der Film wurde 1990 für den Golden Globe nominiert und war offizieller Beitrag beim Filmfestival in Venedig. Gegen Ende der 1990er Jahre folgen die beiden Filme "Der Unfisch" (1997) und "Venice Project" (1999). Seither hat Dornhelm jedes Jahr ein Filmprojekt verwirklicht, häufig mit österreichischen Stoffen und Motiven. Die 2005 ausgestrahlte TV-Serie "In den Westen" (2005) brachte ihm zehn Nominierungen für den Emmy ein, 2007 erhielt er für seinen Film "Kronprinz Rudolf" die Goldene Romy als bester Regisseur des Jahres. Ebenfalls 2007 realisierte er mit einer Neuverfilmung von Leo Tolstois "Krieg und Frieden" sein bisher aufwändigstes Filmprojekt.
Robert Dornhelm arbeitet und lebt mit seiner Frau in in Malibu (Los Angeles), USA.