W wieku 25 lat zadebiutował na Broadwayu w The Man with the Golden Arm w 1955 r.
Although Loggia made his first film, Somebody Up There Likes Me (1956), in an uncredited appearance, it was not until he was cast as New Mexico lawman Elfego Baca, two years later, that he made a breakthrough in Hollywood. Loggia był prezenterem radiowym i telewizyjnym w Southern Command Network w Strefie Kanału Panamskiego, a sławę przyniosła mu rola prawdziwego szeryfa w The Nine Lives of Elfego Baca, serii programów telewizyjnych Walta Disneya. Później zagrał rolę przysłowiowego kota-włamywacza, który zmienił się w dobrego artystę cyrkowego Thomasa Hewitta Edwarda Kota w krótkim serialu detektywistycznym T.H.E. Cat, wyemitowanym po raz pierwszy w 1966 roku. Na początku, T.H.E. Cat wydawał się być sukcesem, powiedział Loggia: „Rysujemy około 30 procent udziału w widowni, co NBC uważa za w porządku dla nowego show z nową gwiazdą”. Po tym jak NBC anulowało serial, gdy oglądalność nie dopisała, Loggia przeszedł kryzys wieku średniego – „dantejskie zejście do piekła”, jak to później nazwał. Przez sześć lat jego kariera stanęła w miejscu, a małżeństwo rozpadło się. Niespokojny i zdenerwowany, ciągle targany zwątpieniem w siebie, przypadkowe spotkanie z Audrey O’Brien było dla niego wybawieniem. To ona pomogła mu wyjść z kryzysu, a później się pobrali. Pomimo gry Frank Carver na CBS telenoweli The Secret Storm w 1972 roku, wziął nowy kurs, kiedy zdecydował się rozpocząć karierę w reżyserii.
Prowadził również na aktorstwo i zgromadził wiele kredytów telewizyjnych w różnych rolach, w tym występy na Overland Trail, Target: The Corruptors!, Nietykalni, Jedenasta godzina, Breaking Point, Combat!, Custer, Columbo, Ellery Queen, The High Chaparral, Gunsmoke, Voyage to the Bottom of the Sea, The Big Valley, The Wild Wild West, Rawhide, Little House on the Prairie, The Rockford Files, Starsky & Hutch, Aniołki Charliego, Magnum, P.I., Quincy, M.E., Kojak, Hawaii Five-0, The Bionic Woman, Falcon Crest, Frasier, The Sopranos, Monk i miniserial Olivera Stone’a Wild Palms.
Reżyser Blake Edwards często obsadzał Loggię w swoich filmach w rolach pomniejszych lub drugoplanowych. Obejmowały one Zemstę Różowej Pantery (1978); S.O.B. (1981), która była satyrą na Hollywood; oraz sequele Różowej Pantery.
W 1983 roku Loggia zagrał Franka Lopeza, dilera narkotyków, który był jednym z głównych bohaterów drugoplanowych i antagonistów w filmie Scarface, który jest często uważany za hollywoodzki film klasyczny.
Loggia wystąpił również w kilku szeroko uznanych filmach, takich jak Oficer i dżentelmen (1982), Człowiek z blizną (1983), Honor Prizziego (1985) i Dzień Niepodległości (1996). Inne filmy z Loggią w roli głównej to Over The Top (1987), Necessary Roughness (1991) i Return to Me (2000).
Loggia był nominowany do Oscara dla Najlepszego Aktora Drugoplanowego za swoją rolę okrutnego prywatnego detektywa Sama Ransoma w thrillerze kryminalnym Jagged Edge (1985). Był nominowany do Primetime Emmy Award dla wybitnego aktora pierwszoplanowego w serialu dramatycznym, jego pierwszy taki zaszczyt, za portret agenta FBI Nicka Mancuso w serialu Mancuso, FBI (1989-1990), kontynuacji poprzedniego roku miniserialu Ulubiony syn (1988). Loggia pojawił się jako gangster w wielu filmach, w tym Bill Sykes, niemoralny lichwiarz i agent stoczni w animowanym filmie Disneya Oliver & Company (1988), Salvatore „Rekin” Macelli w Niewinnej krwi Johna Landisa (1992), pan Eddy w Zagubionej autostradzie Davida Lyncha (1997) i Don Vito Leoni w Analityku dona Davida Jablina (1997). Ponadto, zagrał brutalnego gangstera Feecha La Mannę w kilku odcinkach serialu The Sopranos.
W 1998, Loggia pojawił się w reklamie telewizyjnej lampooning obscure celebrity endorsements. W nim, młody chłopak nazywa Loggia jako kogoś, komu zaufałby polecić Minute Maid pomarańczowo-granatowa mieszanka. Loggia natychmiast pojawia się i popiera napój, na co chłopiec wykrzykuje: „Whoa, Robert Loggia!”. Reklama została później odniesiona w odcinku Malcolm in the Middle, w którym Loggia wystąpił gościnnie jako „dziadek Victor” (za co otrzymał swoją drugą nominację do nagrody Emmy); w nim, Loggia pije trochę soku pomarańczowego, a następnie wypluwa go i narzeka na pulp.
W uzupełnieniu do voicing Sykes w Disney’s Oliver & Company, Loggia miał kilka innych ról aktorstwa głosowego, w wielu mediach, w tym: Admiral Petrarch w grze komputerowej FreeSpace 2 (1999), narrator Scarface: The World is Yours (2006) adaptacji gry i filmu anime The Dog of Flanders (1997), crooked gliniarz Ray Machowski w grze wideo Grand Theft Auto III (2001), i powtarzającą się rolę na Adult Swim animowany serial komediowy Tom Goes to the Mayor (2004-2006).
W sierpniu 2009 roku, Loggia pojawił się w jednej z reklam Apple Get a Mac. Reklama zawiera Loggia jako osobistego trenera zatrudnionego przez PC, aby uzyskać go z powrotem na szczycie jego gry. W dniu 26 października 2009 roku, TVGuide.com ogłosił Loggia dołączył do obsady TNT serii Men of a Certain Age.
Loggia pojawił się również w dwóch odcinkach serialu animowanego Family Guy jako siebie; w odcinku „Brothers and Sisters”, po Mayor West mówi narzeczony Carol ma „aides” (które Carol błędy dla AIDS), zanim wyjaśni, że jest on odnosząc się do jego asystentów; West następnie zauważa, że oboje mają AIDS, a scena tnie do Loggia, gniewnie odpowiadając „NOT OKAY!”. W odcinku „Call Girl”, jest on postrzegany dwukrotnie denotując upływ czasu w nudnych wydarzeń. Scenariusz ucina się do Loggii mówiąc „Eight f***ing hours later”, a następnie wraca do historii, dalej w fabule. W 2012 roku Loggia wcielił się w postać świętego Piotra podczas jego ostatniego uwięzienia w filmie „The Apostle Peter and the Last Supper”. Loggia partnerował kanadyjskiemu przedsiębiorcy Frankowi D’Angelo od 2013 roku, pojawiając się w trzech filmach (Real Gangsters, The Big Fat Stone i No Depo$it), z czwartym filmem w produkcji (Sicilian Vampire) w momencie śmierci Loggii.
Loggia służył jako reżyser dla odcinków Quincy M.E., Magnum, P.I., i Hart to Hart.
Loggia powtórzył swoją rolę z Dnia Niepodległości, generała Williama Greya, w cameo appearance obok swojej żony, Audrey, w sequelu z 2016 roku Dzień Niepodległości: Resurgence, nakręconym na krótko przed jego śmiercią. Film został wydany pośmiertnie i zadedykowany jemu.
.