Родился 14 мая 1952 года в Чикаго, штат Иллинойс, в семье с литовскими и югославскими корнями.

Свои первые фильмы начал снимать на 8-мм камеру, еще учась в школе, после окончания которой он поступил в Университет Северного Иллиноиса, а затем перевелся в Университет Южной Калифорнии, где продолжил обучение по специальности "киноискусство". Именно там Роберт познакомился с Бобом Гейлом, ставшим его лучшим другом и верным творческим соратником.
Земекис получил студенческий «Оскар» (награда Американской Академии Киноискусства, вручаемая за лучшую работу студентов киновузов США) за постановку короткометражного фильма "Поле чести". Но свою работу в кино он начал как сценарист.

Первый значительный успех приходит к режиссеру лишь в 1984, с премьерой приключенческой комедии "Роман с камнем".
Однако по настоящему знаменитым Земекис почувствовал себя только год спустя, в 1985, когда на экраны вышла культовая фантастическая комедия 80-х годов "Назад в Будущее" /"Back to the Future",потом вышли остальные части етой трилогии."Назад в Будущее 2" /"Back to the Future 2" и "Назад в Будущее 3" /"Back to the Future 3". Фильм пользовался необычайной популярностью среди зрителей всех возрастов и стал основой для выхода в 1989 и 1990 двух сиквелов, посвященных приключениям Марти МакФлая и Дока в недалеком будущем и в "ковбойском" прошлом.

Осознав те необычайные возможности, которые открываются перед режиссером с использованием спецэффектов, Земекис решил сделать то, чего до него не делал в таком масштабе практически никто - в своей ленте "Кто Подставил Кролика Роджера" он великолепным образом пересек наш мир с миром анимационным, позволив мультяшным персонажам играть наравне с реальными актерами, ни в чем им не уступая. Конечно, сейчас такими технологиями никого не удивить, но тогда это был настоящим прорывом - фильм даже был удостоен Оскара за лучшие спецэффекты, лучшие звуковые эффекты и за достижения в области кинематографа.

В 1994 году он стал лауреатом премии «Оскар» за фильм «Форрест Гамп».

Земекис – один их немногих режиссеров, который сочетает в своем творчестве драматическую глубину с внешней зрелищностью и техническим новаторством.

В 2007 году, Роберт Земекис выпустил свой второй, после фильма «Полярный экспресс», крупный анимационный проект под названием «Беовульф».
В том же году, Земекис был назван популярным порталом Entertainment Weekly одним из самых умных людей Голливуда (18 место из 50).