Земекис попытался поступить только в одно место — школу кинематографического искусства при Университете Южной Калифорнии — с помощью эссе и музыкального видео, снятого им ранее на песню «Битлз». Не получив ответа от университета, он решил позвонить сам, и ему сообщили, что его заявка была отклонена из-за весьма среднего школьного балла. Режиссёр дал «сердечное обещание» чиновнику университета пойти в летнюю школу и улучшить результаты, и в конечном счете добился принятия его в школу.
Прибыв в университет той осенью, Земекис столкнулся с программой, которая, по его словам, интересовала только кучку хиппи и рассматривалась университетом как излишнее обременение.
Дисциплины были трудными, что ещё более усиливалось профессорами, неустанно подчеркивавших, как непрост кинобизнес. Но всё же Земекис не был особенно обеспокоен этим и относился к ситуации со здоровым цинизмом, что было порождено его чикагским воспитанием.
Во время учёбы в университете, Земекис завязал тесную дружбу с другим студентом - впоследствии писателем Бобом Гейлом. Гейл позже вспоминал: «Все выпускники Университета Южной Калифорнии обладали некой напускной интеллектуальностью. Поэтому мы с Бобом cтремились к общению друг с другом, так как мы хотели снимать настоящее голливудское кино. Нас не интересовала „Французская новая волна“. Нам нравился Клинт Иствуд, Джеймс Бонд и Уолт Дисней, потому что на этом мы выросли».
Получив Студенческую Академическую Премию в университете за свой фильм «Поле чести», режиссёр привлек внимание Стивена Спилберга. Последний рассказывал: "Земекис проскочил через моего секретаря, усадил меня и показал мне этот фильм… Это было захватывающе: полицейские машины, погоня, и всё это — на фоне музыки Элмера Берштайна из «Большого побега».
Спилберг стал наставником Земекиса и исполнительным продюсером двух его первых фильмов (оба написанных в соавторстве с Бобом Гейлом), а позже и других — в том числе трилогии «Назад в будущее» и «Кто подставил кролика Роджера».
Фильмы «Я хочу держать тебя за руку» (1978) и «Подержанные автомобили» с Куртом Расселом (1980) были благоприятно восприняты критиками (с особым восторгом отозвалась о последнем фильме Полин Кейл), но, увы, оказались абсолютно невыгодны коммерчески. «Я хочу держать тебя за руку» была первой из нескольких картин Земекиса, в которых он привлек в качестве персонажей исторических фигур и знаменитостей.
После провала первых фильмов, также картины «1941-й» (режиссёром которого выступил Спилберг, а Земекис и Гейл — сценаристами), этот союз заработал репутацию пишущих «сценарии, которые все считают потрясающими, но не порождающих кино, которое нравилось бы публике».

В 1999-м режиссёр вкладывает $5 млн в Центр цифрового искусства Роберта Земекиса при Университете Южной Калифорнии — территорию в 3300 м², на которой расположились производственные цеха, огромная цифровая лаборатория обработки с 60 системами и проекционный зал на 50 мест.
Когда центр был открыт в марте 2001-го, Земекис уже обсуждал вопросы будущего кинематографа со своими друзьями — Спилбергом и Джорджом Лукасом. О тех, кто цеплялся за целуллоид и осуждал идею цифровой съемки, Земекис говорил: «Это те же ребята, которые утверждали, что звук граммофонных пластинок лучше CD. Вы можете твердить об этом до посинения, но я не знаю никого, кто бы продолжал покупать винил. Фильм, в традиционном представлении о нём, собирается меняться. Но неизменно желание человека делиться историями у походного костра. И единственная вещь, которая претерпевает изменения, — это сам костер.»
Центр Роберта Земекиса в настоящее время включает много классов киношколы, большая часть которых занята школой Interactive Media Division и Trojan Vision — студенческую телевизионную станцию Университета Южной Калифорнии, которая была признана студенческой телевизионной станцией номер один в стране.
В 1996 Земекис стал развивать проект, вышедший позже в русский прокат с названием «Изгой» (The Cast Away в оригинальной версии), с Томом Хенксом и сценаристом Уильямом Бройлесом мл. История, вдохновением для которой послужил герой романов Даниэля Дефо Робинзон Крузо, повествует о человеке, выброшенном на необитаемый остров после крушения самолета и претерпевающим глубокие физические и духовные изменения. Работая над «Изгоем», Земекис обращается к триллеру Хичкока «Что скрывает ложь», основанном на идее Спилберга, — истории о супружеской паре, переживающей «синдром опустевшего гнезда».
Для роли Хэнкс должен был резко сбросить вес, поэтому Земекису пришлось отснять картинку «Что скрывает ложь» в промежутках эпизодов первого фильма. Он снял первую часть «Изгоя» в начале 1999-го, осенью выпустил «Что скрывает ложь» и в начале 2000-го завершил работу над последним эпизодом драмы.
«Что скрывает ложь» с Харрисоном Фордом и Мишель Пфайффер в главных ролях была выпущена в июле 2000-го и имела отличные кассовые сборы, которые «грязными» составили более $155 млн. Хэнкс был удостоен номинации «Лучший актёр» за роль Чака Ноланда в «Изгое».
В 2004-м Земекис снова работает с Хэнксом над кинокартиной «Полярный экспресс» — по одноименной книге Криса Ван Оллсбурга.
«Полярный экспресс» использовал технику компьютерной анимации, известную как фиксация движения, посредством чего движения актёров захвачены в цифровой форме и используются в качестве основы для анимационных персонажей. Как первый главный фильм, использующий фиксацию, «Полярный экспресс» заставил Нью-Йорк Таймс писать, что, «Независимо от того, что критики и зрители сделают из этого фильма, с технической точки зрения он может стать поворотным моментом в постепенном переходе от аналогового кино к цифровому».
В феврале 2007 Земекис и управляющий «Студией Уолта Диснея» Дик Кук объявили о планах открыть новую кинокомпанию, использующую данный эффект, чья основная деятельность будет акцентирована на компьютерной графике и 3d-эффектах. Предполагалось, что компания ImageMovers Digital будет создавать фильмы, используя технологию захвата, Земекис будет курировать проекты, а Дисней распределит и продаст кинофильмы во всем мире.
Земекис использовал технологию снова, в фильме «Беовульф», который является художественным пересказом англосаксонского эпического одноименного стихотворения, и приглашает для съёмок Рея Винстоуна, Анджелину Джоли и Энтони Хопкинса.
Обладатель литературной премии Хьюго в области научной фантастики Нил Гейман, который писал сценарий по книге вместе с Роджером Эвери, описывал фильм как «невероятно сильную и странную интерпретацию легенды о Беовульфе». Фильм вышел в прокат 16 ноября 2007 г.
В июле 2007 в еженедельнике «Variety» появилась заметка о том, что Земекис написал сценарий для «Рождественской истории», основанной на рассказе Чарльза Диккенса 1843-го года Рождественская песнь в прозе, и собирается снять фильм с использованием знаменитого эффекта и выпустить его уже от имени студии «ImageMovers Digital».
Во время работы над сценарием Земекис держал в голове Джима Керри, и в итоге актёр согласился сыграть даже несколько ролей в картине, в том числе Эбенезера Скруджа — молодого, средних лет и старика, а также всех трёх призраков, охотившихся на богача. Также в фильме принимал участие Гэри Олдмен. В прокате кино появилось 6 ноября 2009.
В августе 2008 веб-сайт IGN опубликовал интервью с Филлипом Петитом, известным французским актёром, в котором тот заявил, что Земекис помогает ему воплотить в жизнь его мемуары «Дотянуться до облаков».
В августе 2009 Земекис и его компания начали обсуждение с Disney съёмок ремейка на фильм «Желтая субмарина» — уже в новом цифровом исполнении. Также режиссёр планирует снять продолжение фильма «Кто подставил кролика Роджера». Питер Симэн и Джеффри Прайс, писавшие сценарий к первому фильму, в настоящее время работают над второй частью.