Внес вклад в электронную теорию органических соединений, в представления о распределении электронов и мезомерии в ароматических соединениях (1922—1926).
После начала Второй мировой войны занимался взрывчатыми веществами и защитой от химического оружия, стал одним из создателей химии антибиотиков и организаторов производства противомалярийных препаратов в Великобритании.
В 1945—1950 годах Робинсон – президент Лондонского королевского общества и важна его роль в налаживании научно-исследовательской работы в послевоенные годы, он способствовал активизации деятельности международных научных союзов.
В 1947 году Робинсону была присуждена Нобелевская премия «за исследования биологически важных растительных продуктов, особенно алкалоидов».
Знание строения и разработка методов синтеза алкалоидов служит базой для их будущего промышленного производства.
Строение того или иного алкалоида, являющегося лекарственным средством, служит отправной точкой для поисков новых синтетических лекарственных средств.
Вместе с Р. Вудвордом основал журнал по органической химии «Тетраэдрон», в 1957 году вышел первый его номер. Журнал пользуется заслуженным авторитетом.
Коллега Робинсона по Манчестерскому университету Вейцман разработал процесс крекинга нефти, который лег в основу деятельности компании «Петрокемиклз лимитед». Робинсон был директором этой компании.
В 1935 году «Петро кемиклз» вошла в компанию «Шелл», где он был директором, а затем до 1975 году занимал должность консультанта.
Член свыше 30 правительственных комитетов, ряд которых он возглавлял. В 1947 году – делегат Великобритании на первой конференции ЮНЕСКО. В 1951 году – президент Британской ассоциации содействия развитию науки и президент Общества химической промышленности (1958—1959).
Роберт Робинсон скончался 24 февраля 1975 года в Лондоне.
При жизни увлекался музыкой, фотографией и литературой. Заядлый садовод. Работая в Австралии, он совершал восхождения на новозеландские Альпы и до начала Второй мировой войны проводил отпуск в горах Великобритании, Норвегии, в Пиренеях и Альпах. Когда Робинсону было 80 лет, он взошел на Столовую гору в Южной Африке. Благодаря этим хобби Робинсон сделался обладателем фотографий, запечатлевших удивительную красоту горных областей Швейцарии, Норвегии и Новой Зеландии.