Родился в Румынии. В 1961 г. его семья эмигрировала в Австрию по политическим соображениям. С 1965 по 1967 г. учился в Венской киноакадемии, затем работал режиссером документальных фильмов для телеканала ORF до 1975 г. В 2007 г. Дорнхельм снял телесериал «Война и мир» по роману Льва Толстого. В настоящее время режиссер работает над документальным фильмом о Герберте фон Караяне в честь столетия дирижера. В 2009 г. Роберт Дорнхельм на XXXI Московском международном кинофестивале возглавил жюри конкурса «Перспективы». Живет и работает в Лос-Анджелесе.