V 25 letech debutoval v roce 1955 na Broadwayi ve filmu Muž se zlatou rukou.
Ačkoli Loggia natočil svůj první film Někdo tam nahoře mě má rád (1956), kde si nezahrál, v Hollywoodu prorazil až v roli strážce zákona Elfega Bacy z Nového Mexika o dva roky později. Loggia působil jako rozhlasový a televizní hlasatel v Southern Command Network v zóně Panamského průplavu a proslavil se rolí skutečného šerifa v seriálu Devět životů Elfega Bacy, který vysílala televize Walta Disneyho. Později si zahrál pověstného kočičího zloděje, který se stal dobrým cirkusovým artistou Thomasem Hewittem Edwardem Catem, v krátce vysílaném detektivním seriálu T.H.E. Cat, který se poprvé vysílal v roce 1966. Zpočátku se zdálo, že T.H.E. Cat bude mít úspěch, řekl Loggia: „Přitahujeme asi 30 procent diváků, což NBC považuje za dobré pro nový seriál s novou hvězdou.“ Poté, co NBC seriál zrušila, když se nedostavila sledovanost, propadl Loggia krizi středního věku – „dantovskému sestupu do pekel“, jak to později nazval. Na šest let se jeho kariéra ocitla na dně a rozpadlo se mu manželství. Zachránilo ho náhodné setkání s Audrey O’Brienovou, která byla neklidná a nervózní a neustále o sobě pochybovala. Pomohla mu z krize a později se vzali. Přestože v roce 1972 hrál Franka Carvera v telenovele Tajná bouře na stanici CBS, vydal se novým směrem, když se rozhodl začít kariéru režiséra.
Pokračoval také v herectví a nasbíral mnoho televizních titulů v různých rolích, včetně účinkování v seriálech Overland Trail, Target: Custer, Columbo, Ellery Queen, The High Chaparral, Gunsmoke, Cesta na dno moře, The Big Valley, The Wild Wild West, Rawhide, Little House on the Prairie, The Rockford Files, Starsky & Hutch, Charlie’s Angels, Magnum, P.I., Quincy, M.E, Kojak, Hawaii Five-0, The Bionic Woman, Falcon Crest, Frasier, The Sopranos, Monk a minisérie Olivera Stonea Wild Palms.
Režisér Blake Edwards Loggiu ve svých filmech často obsazoval do menších nebo vedlejších rolí. Patří mezi ně Pomsta Růžového pantera (1978), S.O.B. (1981), který byl satirou na Hollywood, a pokračování Růžového pantera.
V roce 1983 hrál Loggia Franka Lopeze, drogového dealera, který byl jednou z hlavních vedlejších postav a antagonistů ve filmu Zjizvená tvář, který je často považován za klasický hollywoodský film.
Loggia hrál také v několika všeobecně uznávaných filmech, například Důstojník a gentleman (1982), Zjizvená tvář (1983), Prizziho čest (1985) a Den nezávislosti (1996). Mezi další filmy s Loggiou v hlavní roli patří Over The Top (1987), Necessary Roughness (1991) a Return to Me (2000).
Loggia byl nominován na Oscara za nejlepší mužský herecký výkon ve vedlejší roli za ztvárnění krutého soukromého detektiva Sama Ransoma v kriminálním thrilleru Jagged Edge (1985). Za ztvárnění agenta FBI Nicka Mancusa v seriálu Mancuso, FBI (1989-1990), navazujícím na minisérii Favorite Son (1988) z předchozího roku, byl nominován na cenu Primetime Emmy za vynikající mužský herecký výkon v dramatickém seriálu, což byla jeho první taková pocta. Loggia se objevil jako mafián v několika filmech, mimo jiné jako Bill Sykes, nemorální lichvář a agent loděnice v animovaném filmu společnosti Disney Oliver & Company (1988), Salvatore „Žralok“ Macelli v Nevinné krvi (1992) Johna Landise, pan Eddy ve filmu Davida Lynche Lost Highway (1997) a Don Vito Leoni ve filmu Davida Jablina The Don’s Analyst (1997). Kromě toho hrál násilnického mafiána Feecha La Mannu v několika epizodách seriálu Sopranovi.
V roce 1998 se Loggia objevil v televizní reklamě zesměšňující obskurní reklamy celebrit. Mladý chlapec v ní jmenuje Loggiu jako někoho, komu by věřil, že mu doporučí pomerančovo-mandarinkovou směs Minute Maid. Loggia se okamžitě objeví a nápoj podpoří, na což chlapec zvolá: „Páni, Robert Loggia!“. Na reklamu později odkazovala epizoda seriálu Malcolm in the Middle, v níž Loggia hostoval jako „děda Victor“ (za což získal svou druhou nominaci na cenu Emmy); Loggia v ní vypije pomerančový džus, pak ho vyplivne a stěžuje si na dužinu.
Kromě namluvení Sykese v Disneyho filmu Oliver & Company měl Loggia několik dalších hlasových rolí, a to v různých médiích, mj: Admirál Petrarcha v počítačové hře FreeSpace 2 (1999), vypravěč v seriálu Scarface:
V srpnu 2009 se Loggia objevil v jedné z reklam společnosti Apple Get a Mac. V reklamě vystupuje Loggia jako osobní trenér, kterého si najal počítač, aby ho dostal zpět na vrchol. Dne 26. října 2009 server TVGuide.com oznámil, že se Loggia připojil k obsazení seriálu TNT Muži určitého věku.
Loggia se také objevil ve dvou epizodách animovaného seriálu Family Guy jako on sám; v epizodě „Brothers and Sisters“ poté, co starosta West řekne své snoubence Carol, že má „aides“ (což si Carol splete s AIDS), než upřesní, že má na mysli své asistenty; West poté poznamená, že oba mají AIDS, a scéna se střihne na Loggiu, který rozzlobeně odpoví „NOT OKAY!“. V epizodě „Call Girl“ je dvakrát vidět, jak označuje plynutí času v nudných událostech. Scénář ustřihne na Loggiu, který řekne „O osm zasraných hodin později“, a pak se vrátí k příběhu, který je v ději dál. V roce 2012 Loggia ztvárnil svatého Petra během jeho posledního uvěznění ve filmu Apoštol Petr a poslední večeře. Od roku 2013 Loggia spolupracoval s kanadským podnikatelem Frankem D’Angelem a objevil se ve třech filmech (Opravdoví gangsteři, Velký tlustý kámen a Bez depo$itu), přičemž v době Loggiovy smrti byl ve výrobě čtvrtý film (Sicilský upír).
Loggia působil jako režisér epizod seriálu Quincy M.E., Magnum, P.I. a Hart to Hart.
Loggia si zopakoval svou roli ze Dne nezávislosti, generála Williama Greye, v epizodní roli po boku své manželky Audrey v pokračování Dne nezávislosti z roku 2016: Krátce před svou smrtí natočil film Vzkříšení. Film byl uveden posmrtně a věnován právě jemu.