Robert De Niro es alabado por su compromiso en la interpretación de los papeles, por su técnica metódica de actuación y por el intenso estudio de los antecedentes o rasgos físicos y psicológicos de los personajes que interpreta.
A pesar de ser zurdo, siempre escribe o hace distintas actividades con la mano derecha cuando el personaje que encarna es diestro. Ganó 27 kilos de peso y aprendió a boxear para interpretar a Jake La Motta en Toro salvaje. Pasó cuatro meses en Sicilia aprendiendo a hablar el dialecto siciliano para interpretar a Don Vito Corleone en El Padrino II, casi todos los diálogos que su personaje habla en la película son en italiano. Aprendió a tocar el saxofón para New York, New York. Se hizo entradas del pelo y aumentó varios kilos para interpretar a Al Capone en Los Intocables. Antes de la filmación de Cabo de miedo, pagó a un dentista 5.000 dólares para darle un aspecto maltratado a sus dientes para el papel del montañés ex-convicto Max Cady, después de la filmación pagó 20.000 para arreglarlos.
Para su papel de Travis Bickle en Taxi Driver, obtuvo una licencia de taxista y se dedicó a transitar varios días las calles de Nueva York conduciendo un taxi auténtico durante el turno de noche. Una de esas veces, subió a un joven actor que al reconocerlo y sin sospechar nada exclamó: "¡Así es la vida del actor, un día ganas el Oscar y al siguiente te ves trabajando de taxista...!" De Niro había ganado el Oscar al mejor actor de reparto por El padrino II tan solo un año antes.
Se acuerdan de De Niro frente al espejo confrontándose de manera enferma “You Talkin’ to me?” (¿Me estás hablando a mí?) La frase quedó inmortalizada y unida para siempre al actor.