Robert van Rooij doet onderzoek naar betekenis van taal. Hij richt zich op betekenis, de totstandkoming van betekenis en de rol van (de aanname van) rationaliteit van taalgebruikers hierbij. Van Rooij gebruikt logica en traditionele speltheorie om een precieze analyse te geven van de betekenis van een zin en de communicatiemogelijkheden die ontstaan door zinnen op een manier te gebruiken die verder gaat dan de letterlijke betekenis. Zijn gebruik van niet-monotone logica en signaalspelen voor de analyse van zogenoemde conversationele implicaturen was vernieuwend.

De laatste tijd maakt Van Rooij ook gebruik van evolutionaire speltheorie om een functionele verklaring te geven van de structurele aspecten van taal. Zo verklaart hij met deze theorie waarom kleuren in verschillende talen op (vrijwel) dezelfde manier worden gelexicaliseerd, en (als een theorie van `bounded rationality') waarom natuurlijke talen vaag zijn. Van Rooij ontwikkelde tevens  een logica voor een adequate weergave van verrassende experimentele data over  het daadwerkelijk gebruik  van vage termen. Het gebruik van deze logica voor de analyse van 'semantische paradoxen' staat hoog op zijn onderzoeksagenda.

Van Rooij is sinds 2010 universitair docent filosofie aan de UvA.Hij ontving verschillende onderzoekssubsidies, waaronder een Vidi van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO), een fellowship van  de Koninklijke Nederlandse Academie van Wetenschappen (KNAW) en een ERC Marie Curie-beurs om een Europees trainingsnetwerk op te zetten. Ook ontving hij voor een aantal projecten financiering, van de European Science Foundation. Van Rooij publiceerde in toonaangevende tijdschriften en heeft vijf boeken op zijn naam staan, waaronder Attitudes and Changing Contexts (Springer, 2006). Hij is medeoprichter en bestuurslid van de European Philosophy of Language and Mind netwerk. Daarnaast is hij lid van de onderzoeksschool Wijsbegeerte voor de UvA.