Robin Tunney est d'origine irlando-américaine et a grandi dans le quartier irlandais de South Side, à Chicago. Son père est un vendeur de voiture et sa mère serveuse dans un bar. Après avoir étudié à la "Chicago Academy for the Performing Arts", Robin Tunney s'installe à Los Angeles en 1990. Elle fait quelques apparitions dans les séries Corky, un adolescent pas comme les autres (1991) et Perry Mason (1992) ou Promo 96 (1993). Robin Tunney se fait remarquer en 1995 pour son interprétation d'une jeune fille suicidaire dans la comédie dramatique Empire Records. Dès lors, elle se voit proposer des rôles principaux, comme dans Dangereuse Alliance (1996) où elle joue les sorcières gothiques avec Fairuza Balk, Neve Campbell et Rachel True.

Elle est récompensée pour sa performance dans Niagara, Niagara à la Mostra de Venise 1997 par le prix de meilleure interprétation féminine. Elle tourne ensuite avec Arnold Schwarzenegger dans La Fin des temps (1999) puis Vertical Limit (2000), puis un premier rôle dans la comédie dramatique Cherish (2002). En 2005, elle apparaît dans le film The Zodiac. Robin Tunney joue aussi à la télévision. Après un rôle de guest-star dans le pilote du Dr House (2004), elle s'établit en 2005 dans Prison Break dans le rôle de Veronica Donovan.