Robert Doornbos était un tennisman semi-professionnel aux Payx-Bas et c'était à ce moment-là: sa seule et unique passion. Jusqu'au jour où il est invité par l'écurie Williams à suivre un weekend de grand prix, celui de Belgique en 1998. C'est à ce moment-là qu'il se remet en question et décide de changer de voie. Il demande conseil à Jacques Villeneuve pour débuter dans le sport automobile et à presque 17 ans (suite au GP de Belgique), Robert range sa raquette et se consacre au sport automobile, désormais sa véritable passion.

Il s'illustre dès sa première saison en 1999 en devenant vice-champion de l'Opel Lotus UK Winter Series avec à son palmarès quatre poles, quatre victoires. En 2000, il passe en Formule Ford et se classe cinquième du championnat du Benelux. En 2001, il est pilote en Formule 3 Britannique, il finit cinquième avec une pole, deux victoires et neuf podiums. En 2002, il participe au championnat de Formule 3 d'Allemagne et termine deux fois sur le podium et se classe sixième au Grand Prix de Macao. En 2003, il participe au championnat de F3 d'Europe.

En 2004, il change de catégorie et court en F3000 international, il est le Rookie de l'année et termine le championnat à la troisième place au volant de son Arden, il remporte une victoire (à Spa) et monte quatre fois sur le podium. Il fait aussi ses débuts dans le monde la F1, en étant pilote essayeur chez Jordan. Il participe alors aux essais libres du vendredi lors des trois derniers Grand Prix de la saison.

En 2005, il reste chez Jordan en tant que troisième pilote lors des premières séances d'essai libre. A mi-saison, il est recruté comme titulaire chez Minardi à la place de Patrick Friesacher (viré car ses sponsors ne payaient plus) et prend part à son premier départ en F1 lors du Grand Prix d'Allemagne, où il termine dix-huitième et dernier classé. Le Hollandais va disputer ainsi les huit dernières manches de la saison, sans espoir de marquer des points évidemment, mais il montre de jolies choses tout en faisant jeu égal avec son équipier et compatriote Christijan Albers. Surtout, il se montre fiable et termine ainsi six fois sur huit départs. Ses meilleurs résultats sont deux treizièmes places à Istanbul et à Spa-Francorchamps.

A la fin de l'année, Robert est engagé par Red Bull comme troisième pilote. Ainsi durant la saison 2006, il pilote la RB2 le vendredi matin lors des weekends de courses. Après le Grand Prix d'Italie, Christian Klien est renvoyé et Robert est alors titularisé pour les trois dernières manches de la saison. Il joue là sa place pour la saison suivante, mais il est constamment dominé par David Coulthard et ne fait pas mieux que douzième. Au moins parvient-il à ramener à chaque fois la voiture à l'arrivée.

Pour 2007, après avoir espéré un volant chez Toro Rosso, Robert part pour les USA et s'engage en ChampCar avec son ancienne équipe Minardi, qui a repris ses activités outre-Atlantique. Lors de la manche d'ouverture à Las Vegas, il signe un podium, chose qui n'était pas arrivé à un rookie depuis Nigel Mansell. Il remporte sa première victoire à Mont-Tremblant le 1er juillet et s'affirme comme un sérieux rival de Sébastien Bourdais pour le titre de champion. Il décroche une seconde victoire à San José, mais l'excellente fin de saison de Bourdais le prive du titre. Il finit le championnat au troisième rang, derrière le Français et Justin Wilson.

Avec la disparition du ChampCar début 2008, Robert se retrouve cependant sans volant pour cette année-là. En mai, il retrouve cependant le volant d'une F1 pour Renault, puisqu'il participe à des Roadshow (des démonstrations de F1 en ville). Il obtient finalement un volant en Superleague Formula, un championnat de monoplaces courant aux couleurs de clubs de football. Le pilote hollandais court pour la Scuderia Playteam, appartenant au Milan AC. Il gagne deux courses, au Nürburgring et à Jerez, et se classe troisième de ce premier championnat.

Durant l'intersaison 2008-2009, Robert défend les couleurs de son pays en A1GP, et obtient ainsi une deuxième place à Chengdu puis une victoire sur le circuit de l'Algarve.

En 2009, il fait son retour aux États-Unis et s'engage en IndyCar pour la très prestigieuse écurie Newman-Haas-Lanigan. Malheureusement pour le Néerlandais la voiture n'est pas à la hauteur de ses espérances. Il ne peut en effet faire mieux que neuvième en course, et ne pointe après douze épreuves qu'au quinzième rang du classement général. Il rompt alors son contrat et signe avec HVM pour la fin de saison et termine le championnat à la seizième place.

En 2010 et 2011 il participe de nouveau à la Superleague Formula avant de raccrocher son volant et de se lancer dans le business des sex-toys !