Aos 25 anos, estreou na Broadway em O Homem com o Braço de Ouro em 1955.
Embora Loggia tenha feito seu primeiro filme, Somebody Up There Likes Me (1956), em uma aparição não acreditada, foi só quando ele foi elenco do Novo México Elfego Baca, dois anos depois, que ele fez um grande avanço em Hollywood. Loggia foi âncora de rádio e TV na Rede de Comando Sul, na Zona do Canal do Panamá, e chegou à proeminência interpretando um xerife da vida real em The Nine Lives of Elfego Baca, uma série de programas de TV da Walt Disney. Mais tarde ele estrelou como o proverbial artista de circo Thomas Hewitt Edward Cat, em uma série de detetives de curta duração chamada T.H.E. Cat, transmitida pela primeira vez em 1966. No início, T.H.E. Cat parecia ser um sucesso, disse Loggia: “Estamos a desenhar cerca de 30% do público, que a NBC considera bom para um novo espectáculo com uma nova estrela.” Depois que a NBC cancelou a série quando os números não foram atingidos, Loggia entrou numa crise de meia-idade – uma “descida dantesca ao inferno”, como ele chamou mais tarde. Durante seis anos a sua carreira naufragou e o seu casamento desmoronou-se. Inquieto e enervado, constantemente cheio de dúvidas, um encontro casual com Audrey O’Brien foi a sua graça salvadora. Ela ajudou-o a sair da crise, e eles casaram-se mais tarde. Apesar de interpretar Frank Carver na novela A Tempestade Secreta da CBS em 1972, ele tomou um novo rumo quando decidiu começar uma carreira na direção.
Ele também continuou atuando e acumulou muitos créditos de televisão em vários papéis, incluindo aparições em Overland Trail, Target: The Corruptors!, The Untouchables, The 11th Hour, Breaking Point, Combat!, Custer, Columbo, Ellery Queen, The High Chaparral, Gunsmoke, Voyage to the Bottom of the Sea, The Big Valley, The 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, and Oliver Stone’s miniseries Wild Palms.
>
O realizador Blake Edwards costuma lançar Loggia nos seus filmes em papéis menores ou de apoio. Estes incluem Revenge of the Pink Panther (1978); S.O.B. (1981), que foi uma sátira sobre Hollywood; e as sequelas do Pink Panther.
Em 1983, Loggia interpretou Frank Lopez, um traficante de drogas que foi um dos principais personagens e antagonistas do filme Scarface, que é frequentemente considerado um filme clássico de Hollywood.
Loggia também atuou em vários filmes amplamente aclamados, como Um Oficial e um Cavalheiro (1982), Scarface (1983), A Honra do Prizzi (1985) e Dia da Independência (1996). Outros filmes estrelados por Loggia incluem Over The Top (1987), Necessary Roughness (1991), e Return to Me (2000).
Loggia foi nomeado para o Oscar de Melhor Ator Coadjuvante por seu retrato do detetive privado Sam Ransom no thriller de crime Jagged Edge (1985). Ele foi nomeado para o Primetime Emmy Award for Outstanding Lead Actor in a Drama Series, sua primeira homenagem, por retratar o agente do FBI Nick Mancuso na série de TV Mancuso, FBI (1989-1990), um seguimento da minissérie Filho Favorito do ano anterior (1988). Loggia apareceu como mafioso em vários filmes, incluindo Bill Sykes, o imoral emprestador e agente de estaleiros navais no filme de animação da Disney Oliver & Company (1988), Salvatore “O Tubarão” Macelli no Innocent Blood de John Landis (1992), Mr. Eddy no Lost Highway de David Lynch (1997), e Don Vito Leoni no The Don’s Analyst de David Jablin (1997). Além disso, ele interpretou o violento mafioso Feech La Manna em vários episódios de The Sopranos.
Em 1998, Loggia apareceu em um comercial de televisão com anúncios de celebridades obscuras. Nele, um jovem rapaz nomeia Loggia como alguém em quem ele confiaria para recomendar a mistura de laranja-tangerina Minute Maid. Loggia aparece imediatamente e endossa a bebida, à qual o rapaz exclama: “Uau, Robert Loggia!”. O comercial foi posteriormente referenciado em um Malcolm no episódio Middle em que Loggia fez uma aparição convidada como “Grandpa Victor” (pelo qual ele recebeu sua segunda nomeação Emmy); nele, Loggia bebe um pouco de suco de laranja, depois cospe e reclama da polpa.
Além de dar voz a Sykes no Oliver da Disney & Company, Loggia teve vários outros papéis de interpretação de voz, em várias mídias, inclusive: Almirante Petrarch no jogo de computador FreeSpace 2 (1999), o narrador do Scarface: The World is Yours (2006) adaptação do jogo e o filme anime The Dog of Flanders (1997), o policial corrupto Ray Machowski no videogame Grand Theft Auto III (2001), e um papel recorrente na série de comédia de animação televisiva Adult Swim Tom Goes to the Mayor (2004-2006).
Em agosto de 2009, Loggia apareceu em um dos anúncios da Apple’s Get a Mac. O anúncio apresenta Loggia como um treinador pessoal contratado pelo PC para colocá-lo de volta no topo do seu jogo. Em 26 de outubro de 2009, a TVGuide.com anunciou que Loggia entrou para o elenco da série TNT Men of a Certain Age.
Loggia também apareceu em dois episódios da série animada Family Guy como ele próprio; no episódio “Brothers and Sisters”, depois de Mayor West dizer ao seu noivo Carol que tem “aides” (que Carol confunde com a SIDA), antes de esclarecer que se está a referir aos seus assistentes; West, em seguida, observa que ambos têm SIDA, e a cena corta para Loggia, respondendo com raiva “NOT OKAY! No episódio “Call Girl”, ele é visto duas vezes denotando a passagem do tempo em eventos enfadonhos. O roteiro corta para Loggia dizendo “Oito f*** horas depois”, e depois volta à história, mais adiante na trama. Em 2012, Loggia retratou São Pedro durante a sua prisão final em O Apóstolo Pedro e a Última Ceia. Loggia fez parceria com o empresário canadense Frank D’Angelo a partir de 2013, aparecendo em três filmes (Real Gangsters, The Big Fat Stone e No Depo$it), com um quarto filme em produção (Sicilian Vampire) na época da morte de Loggia.
Loggia serviu como diretor para episódios de Quincy M.E., Magnum, P.I., e Hart to Hart.
Loggia repreendeu o seu papel desde o Dia da Independência, General William Grey, numa aparição camafeu ao lado da sua esposa, Audrey, na sequência do Dia da Independência de 2016: Ressurgimento, filmado pouco antes da sua morte. O filme foi lançado postumamente e dedicado a ele.