25-vuotiaana hän debytoi Broadwaylla The Man with the Golden Arm -elokuvassa vuonna 1955.
Vaikka Loggia teki ensimmäisen elokuvansa Somebody Up There Up Likes Me (1956) -elokuvassa, jossa hän esiintyi ilman krediittejä, hän teki läpimurtonsa Hollywoodissa vasta, kun hänet valittiin New Mexicon lainvalvojaksi Elfego Bacaksi kaksi vuotta myöhemmin. Loggia toimi radio- ja tv-ankkurina Eteläisessä komentoverkossa Panaman kanavavyöhykkeellä, ja hän tuli tunnetuksi näyttelemällä tosielämän sheriffiä Walt Disneyn tv-sarjassa The Nine Lives of Elfego Baca. Myöhemmin hän näytteli sananlaskun kissa-murtovarkaaksi muuttunutta hyvää sirkustaiteilijaa Thomas Hewitt Edward Catia lyhytikäisessä dekkarisarjassa nimeltä T.H.E. Cat, joka esitettiin ensimmäisen kerran vuonna 1966. Aluksi T.H.E. Cat näytti olevan menestys, Loggia sanoi: ”Saimme noin 30 prosentin yleisöosuuden, mikä on NBC:n mielestä hieno saavutus uudelle sarjalle, jossa on uusi tähti.” Kun NBC peruutti sarjan, kun katsojaluvut eivät tuottaneet tulosta, Loggia ajautui keski-iän kriisiin – ”dantelaiseen vajoamiseen helvettiin”, kuten hän sitä myöhemmin kutsui. Kuuden vuoden ajan hänen uransa horjui, ja hänen avioliittonsa hajosi. Loggia oli levoton, hermostunut ja jatkuvasti itseään epäilevä, mutta sattumanvarainen tapaaminen Audrey O’Brienin kanssa oli hänen pelastava armolahjansa. Nainen auttoi hänet ulos kriisistä, ja myöhemmin he menivät naimisiin. Vaikka hän näytteli Frank Carveria CBS:n saippuaoopperassa The Secret Storm (Salainen myrsky) vuonna 1972, hän otti uuden suunnan päättäessään aloittaa uran ohjaajana.
Hän jatkoi myös näyttelemistä ja keräsi monia tv-esiintymisiä erilaisissa rooleissa, mukaan lukien esiintymiset sarjassa Overland Trail, Target: The Corruptors!”, ”The Untouchables”, ”The Eleventh Hour”, ”Breaking Point”, ”Combat!”, ”Custer”, ”Columbo”, ”Ellery Queen”, ”The High Chaparral”, ”Gunsmoke”, ”Voyage to the Bottom of the Sea”, ”Iso laakso”, ”Villi villi länsi”, ”Rawhide”, ”Pikku talo preerialla”, ”The Rockford Files”, ”Starsky & Hutch”, ”Charlien enkelit”, ”Magnum P.I.”, Quincy, M.E, Kojak, Hawaii Five-0, Bioninen nainen, Falcon Crest, Frasier, Sopranos, Monk ja Oliver Stonen minisarja Wild Palms.
Ohjaaja Blake Edwards valitsi Loggian elokuviinsa usein sivu- tai pienempiin rooleihin. Näitä olivat muun muassa Vaaleanpunaisen pantterin kosto (1978), Hollywood-satiiri S.O.B. (1981) ja Vaaleanpunaisen pantterin jatko-osat.
Vuonna 1983 Loggia näytteli Frank Lopezia, huumediileriä, joka oli yksi tärkeimmistä sivuhenkilöistä ja antagonisteista elokuvassa Arpinaama (Scarface, Scarface, Scarface of the Pink Panther), jota pidetään usein Hollywoodin klassikkoelokuvana.
Loggia näytteli myös useissa laajalti arvostetuissa elokuvissa, kuten Upseeri ja herrasmies (1982), Arpinaama (1983), Prizzin kunnia (1985) ja Independence Day (1996). Muita Loggian tähdittämiä elokuvia ovat muun muassa Over The Top (1987), Necessary Roughness (1991) ja Return to Me (2000).
Loggia oli ehdolla parhaan miessivuosan Oscar-palkinnon saajaksi rosoisen yksityisetsivä Sam Ransomin roolistaan rikostrillerissä Jagged Edge (1985). Hän oli ehdolla Primetime Emmy -palkinnon saajaksi erinomaisesta draamasarjan päänäyttelijästä, mikä oli hänen ensimmäinen tällainen kunnianosoituksensa, kun hän esitti FBI-agentti Nick Mancusoa televisiosarjassa Mancuso, FBI (1989-1990), joka oli jatkoa edellisvuoden minisarjalle Suosikkipoika (1988). Loggia esiintyi mafiosona useissa elokuvissa, muun muassa Bill Sykesinä, moraalittomana koronkiskurina ja telakka-agenttina Disneyn animaatioelokuvassa Oliver & Yritys (1988), Salvatore ”Hai” Macellina John Landisin elokuvassa Viaton veri (1992), herra Eddynä David Lynchin elokuvassa Kadonnut kulkuväylä (Lost Highway) (1997) ja Don Vito Leonin roolissa elokuvassa Donin analyytikkona (1997). Lisäksi hän esitti väkivaltaista mafiosoa Feech La Mannaa useissa Sopranos-sarjan jaksoissa.
Vuonna 1998 Loggia esiintyi televisiomainoksessa, joka pilkkasi hämäriä julkkismainoksia. Siinä nuori poika nimeää Loggian henkilöksi, johon hän luottaisi suosittelemaan Minute Maid appelsiini-mandariinisekoitusta. Loggia ilmestyy välittömästi paikalle ja suosittelee juomaa, mihin poika huudahtaa: ”Whoa, Robert Loggia!”. Mainokseen viitattiin myöhemmin Malcolm in the Middle -jaksossa, jossa Loggia esiintyi vierailevana ”Grandpa Victorina” (josta hän sai toisen Emmy-ehdokkuutensa); siinä Loggia juo appelsiinimehua, sylkee sen sitten ulos ja valittaa hedelmälihasta.
Sykesin ääninäyttelemisen lisäksi Disneyn Oliver & -yhtiössä Loggialla oli useita muitakin ääninäyttelijärooleja useissa eri medioissa, mm: Amiraali Petrarch tietokonepelissä FreeSpace 2 (1999), Scarface-sarjan kertoja: The World is Yours (2006) -pelisovituksessa ja anime-elokuvassa The Dog of Flanders (1997), kiero poliisi Ray Machowski videopelissä Grand Theft Auto III (2001) ja toistuva rooli Adult Swimin animoidussa tv-komediasarjassa Tom Goes to the Mayor (2004-2006).
Elokuussa 2009 Loggia esiintyi yhdessä Applen Get a Mac -mainoksessa. Mainoksessa Loggia esiintyy PC:n palkkaamana personal trainerina, joka saa Loggian takaisin pelikuntoon. 26. lokakuuta 2009 TVGuide.com ilmoitti Loggian liittyneen TNT:n Men of a Certain Age -sarjan näyttelijöihin.
Loggia esiintyi myös kahdessa Family Guy -animaatiosarjan jaksossa omana itsenään; jaksossa ”Brothers and Sisters”, sen jälkeen kun pormestari West kertoo kihlatulleen Carolille, että hänellä on ”avustajia” (jonka Carol erehtyy luulemaan aidsiksi), ennen kuin hän selventää, että hän viittaa avustajiinsa; West huomauttaa sitten, että heillä molemmilla on aids, ja kohtaus leikataan Loggian kuvaan, joka vastaa vihaisesti ”EI OLE Okei!”. Jaksossa ”Call Girl” hänet nähdään kahdesti merkitsemässä ajan kulumista tylsissä tapahtumissa. Käsikirjoitus leikkaa Loggian sanomaan ”Kahdeksan vitun tuntia myöhemmin” ja sitten takaisin tarinaan, joka on jo pidemmällä juonessa. Vuonna 2012 Loggia esitti Pyhää Pietaria hänen viimeisen vankeutensa aikana elokuvassa Apostoli Pietari ja viimeinen ehtoollinen. Loggia teki vuodesta 2013 lähtien yhteistyötä kanadalaisen yrittäjän Frank D’Angelon kanssa ja esiintyi kolmessa elokuvassa (Real Gangsters, The Big Fat Stone ja No Depo$it), neljäs elokuva oli tuotannossa (Sicilian Vampire) Loggian kuollessa.
Loggia toimi ohjaajana Quincy M.E. -sarjan jaksoissa, Magnum, P.I. ja Hart to Hart.
Loggia toisti Independence Day -elokuvan roolinsa, kenraali William Greyn, cameo-esiintymisessä vaimonsa Audreyn rinnalla vuoden 2016 jatko-osassa Independence Day: Resurgence, joka kuvattiin hieman ennen hänen kuolemaansa. Elokuva julkaistiin postuumisti, ja se omistettiin hänelle.