Do žánru vstoupil až ve středním věku povídkou Life-Line (Astounding 1939, č. Linie života-Minulost napříč budoucností/Classic 1996), která ho ihned zařadila mezi autorskou elitu tehdy dominantního magazínu Astounding. Během čtyřicátých let musel díky vysoké produktivitě používat hned několik pseudonymů: Anson McDonald, Caleb Saunders, Lyle Monroe či Simon York. Debutová povídka patří stejně jako řada v krátkém sledu následujících titulů do volně spojeného cyklu „historie budoucnosti“, v němž autor odhadoval budoucí vývoj lidské společnosti. Série byla shrnuta do sbírek The Man Who Sold the Moon (1950), The Green Hills of Earth (1951) a Revolt in 2100 (1953). První dvě sbírky vyšly společně v knize The Robert Heinlein Omnibus (1958). Téměř všechny práce byly později shrnuty do rozsáhlého souboru The Past Through Tomorrow (1967, č. Minulost napříč budoucností/Classic 1996).
Ve sbírce vyšel také román Methuselah's Children (čas. Astounding 1941, kn. 1958, č. Metuzalémovy děti/Classic 1994 a Wales 2006), v němž se příslušníci rodiny dlouhověkých pokouší nalézt ve vesmíru nový domov na útěku před nenávistí normálního obyvatelstva Země. Lazarus Long, ústřední postava románu, se objevuje také v autorově pozdní tvorbě – např. v románu Time Enough for Love, or The Lives of Lazarus Long (1973-nom. Hugo a Nebula, č. Dost času na lásku/Classic 1995). Chronologii celého cyklu uzavírá dvojice povídek Universe (Astounding 1941, č. Vesmír) a Common Sense (Astounding 1941, č. Zdravý rozum), jejichž spojením vznikl krátký román Orphans of the Sky (1963, č. Sirotci oblohy/Návrat 1993), v němž je popsán život na palubě generační kosmické lodi, jejíž obyvatelé během desítky let trvajícího letu klesnou na primitivní kmenovou úroveň. Série „historie budoucnosti“ byla v roce 1966 nominována na cenu Hugo pro do té doby nejlepší SF cyklus. Pod pseudonymem Anson McDonald publikoval časopisecky méně známé romány Beyond this Horizon (čas. Astounding 1942, kn. 1948, č. Za tímto obzorem/Banshies 2003) a The Day After Tomorrow (čas. Astounding 1941, kn. 1949=Sixth Column, č. Šestá kolona/Brokilon 2000), které do série nespadají. První román popisuje budoucí společnost žijící v materiálním nadbytku, který však lidem zároveň upírá jakýkoliv přijatelný smysl života. V druhém titulu je asijská invaze do USA odvrácena s pomocí vyspělých technických vynálezů, které jsou použity k tvorbě „zázraků“.
V dalších letech se začal věnovat psaní SF románů pro mládež, počínaje titulem Rocket Ship Galileo (1947, č. Hvězdná loď Galileo/Banshies 2004), v němž se mladík postaví do cesty nacistickým spiklencům na Měsíci. Přes někdy kolísavou kvalitu se stal i v této oblasti jedním z nejznámějších autorů a nemalou měrou přispěl k dnešní popularitě fantastiky pro mládež. Hrdina románu Space Cadet (1948, č. Hvězdný kadet/Classic 1996) se touží stát důstojníkem organizace pro řešení mezigalaktických sporů. Dobrodružství podivné dvojice mladých obyvatel planety Mars ovlivní osud celé planety v románu Red Planet: A Colonial Boy on Mars (1949, č. Rudá planeta/Straky na vrbě 2000). Nebezpečný život vedou obyvatelé kolonie na Ganymédu v románu Farmer in the Sky (čas. Boy's Life 1950, kn. 1950-Retro Hugo, č. Hvězdná kolonie/Banshies 2000). Chlapec z románu Between Planets (čas. Blue Book Magazine, kn. 1951, č. Mezi planetami/Straky na vrbě 2001) sehraje významnou roli v právě se rodícím meziplanetárním konfliktu mezi Zemí a osídlenými planetami Sluneční soustavy.
V románu The Rolling Stones (čas. Boy´s Life 1952, kn. 1952=Space Family Stone, č. Hvězdná dvojčata/Leonardo 2003) podnikne početná rodina Stonů odvážný výlet do blízkého vesmíru, četné svízele cesty se ji daří vyřešit s nehynoucím optimismem. Mladík z románu Starman Jones (1953, č. Starman Jones/Classic 1996) musí vzít vlastní osud pevně do rukou poté, co jeho kosmická loď havaruje v důsledku nevydařeného prostorového skoku na neznámé planetě. Problémy s domácím chovem nezničitelného inteligentního stvoření mimozemského původu líčí román The Star Beast (čas. F&SF 1954, kn. 1954, č. Hvězdný Lummox/Classic 1996). Poslední čtyři romány vyšly společně v souboru To the Stars (2004). Náročný kurs přežití podstoupí na cizí planetě středoškolský hrdina románu Tunnel in the Sky (1955, č. Tunel do nebes/Classic 1996). Příběh jednovaječných telepatických dvojčat, jejichž těsný vzájemný kontakt dokáže překonat jakoukoli vesmírnou vzdálenost je tématem román Time for the Stars (1956, č. Čas pro hvězdy/Banshies 2000). Vesmírná dobrodružství mladého sirotka podivuhodných schopností popisuje román Citizen of the Galaxy (čas. Astounding 1957, kn. 1957, č. Občan galaxie/Classic 1996). Poslední tři romány vyšly společně v souboru Infinite Possibilities (2003). Hrdina románu Have Spacesuit, Will Travel (čas. F&SF 1958, kn. 1958-nom. Hugo, č. Vezmi si skafandr a běž/Classic 1997 a Wales 2005) se ve vesmíru střetne hned s několika rasami mimozemšťanů. Z titulů pro mládež zbývá jmenovat román Podkayne of Mars: Her Life and Times (čas. If 1962-63, kn. 1963, č. Podkayna z Marsu/Wales 2005), ve kterém se mladá dívka žijící na Marsu rozhodne stát se vůbec první ženou velící kosmické lodi.
Větší pozornosti se dostalo románu The Puppet Masters (čas. Galaxy 1951, kn. 1951, č. Vládci loutek/AG Kult 1992 a Classic 2000), v němž Heinlein popisuje rozsáhlou invazi mimozemských parazitů, které čelí speciálně vycvičení agenti americké tajné služby. V románu Double Star (čas. Astounding 1956, kn. 1956-Hugo, č. Dvojník, zkráceně-Únos na Mars/Orbis 1970, nezkráceně AFSF 1997) nahradí významného meziplanetárního politika herec v roli dvojníka. Půvabný příběh románu The Door Into Summer (čas. F&SF 1956, kn. 1957, č. Dveře do léta/Odeon 1984 a Laser 1995) využívá motivů hibernace a cestování v čase. Dodnes zřejmě nejznámější válečný SF román Starship Troopers (čas. F&SF 1959=Starship Soldier, kn. 1959-Hugo, č. Hvězdná pěchota/Classic 1995, 1996, Wales 2002) popisuje krutou válku lidstva proti agresivní mimozemské civilizaci. Kultovní obliby nejen v okruhu SF žánru se dostalo románu Stranger in a Strange Land (1961-Hugo, č. Cizinec v cizí zemi/Classic 1995 a Banshies 2006), v němž se na Zemi vrací chlapec vychovaný marťanskou civilizací, aby lidstvu ukázal pravé hodnoty života. Válečný veterán z rozporuplně přijatého fantasy románu Glory Road (čas. F&SF 1963, kn. 1963-nom. Hugo, č. Cesta slávy/Laser 1992) je tajemnou kráskou najat jako průvodce na její cestě jinými světy. Hrdinové románu Farnham's Freehold (čas. Worlds of If 1964, kn. 1964, č. Farnhamův únik/Classic 1996) jsou vlivem atomového výbuchu přeneseni do vzdálené budoucnosti, v níž vládne zbytkům bílé rasy otrokářská civilizace černochů. Snad nejkvalitnější román The Moon is a Harsh Mistress (čas. Worlds of If 1965-66, kn. 1966-Hugo, nom. Nebula, č. Měsíc je drsná milenka/Classic 1994, 1999 a Banshies 2006) sleduje dramatickou vzpouru měsíční kolonie proti neúnosné vykořisťovatelské tyranii Země.
Bohužel následující dílo je poznamenáno autorovou nevydařenou snahou vyrovnat se s moderní podobou SF žánru, tento stav lze vysledovat již v románu I Will Fear No Evil (čas. Galaxy 1970, kn. 1970-Seiun, č. Vůně strachu/Banshies 1998), v němž si neobyčejně bohatý muž nechá přesunout mozek do těla krásné mladé ženy. Využití stroje pro přesun paralelními vesmíry poskytlo autorovi v románu The Number of the Beast (čas. Omni 1979, kn. 1980, č. Číslo bestie/Classic 1996) možnost vrátit se např. k postavě Lazara Longa či navštívit Alenčin svět za zrcadlem. V kontextu pozdní tvorby výjimečně zdařilý román Friday (1982-nom. Hugo a Nebula, č. Friday/AG Kult 1992 a Wales 2005) je příběhem androidky pracující jako tajný kurýr v chaosu se zmítajícím světě budoucnosti. Příchod biblického soudného dne uvrhne hrdinu románu Job: A Comedy of Justice (1984-Locus, nom. Hugo a Nebula, č. Job: Komedie spravedlnosti/Laser 1993 a Wales 2006) na barvitou cestu alternativními světy. Kvalitativně nevyrovnaný román The Cat Who Walks Through Walls: A Comedy of Manners (1985, č. Kočka, která prochází zdí/Classic 1995) nepřímo navazuje na titul Měsíc je drsná milenka, život hlavního hrdiny zde rozvíří kolotoč událostí, který ho vynese na cestu napříč prostorem i časem. Poslední román To Sail Beyond Sunset (1987, č. Až za slunce západ plout/Classic 1996) je v přímém rozporu s autorovou proslulostí téměř nečitelnou „autobiografií“ matky Lazaruse Longa. Dlouho ztracený a do té doby nevydaný román For Us, the Living (2004) vypráví příběh muže, který byl z třicátých let minulého století transportován časem do roku 2086. Dalším románem nalezeným v pozůstalosti je Variable Star (2004, sp. Spider Robinson), v němž se muž zklamaný láskou musí na palubě kolonizační lodě vyrovnat s vesmírným kataklyzmatem, který ohrožuje existenci celého lidstva.
Kratší práce vydal v souborech Waldo and Magic, Inc. (1950=Waldo: Genius in Orbit, č. Waldo & Magie a. s./Wales 2005), Assignment in Eternity (1953, rozš. Lost Legacy), The Unpleasant Profession of Jonathan Hoag (1959=6 x H), The Menace from Earth (1959), The Worlds of Robert A. Heinlein (1966, rozš. Expanded Universe) a The Best of Robert Heinlein 1939-1959 (1973), který byl později rozdělen do svazků The Best of Robert Heinlein 1939-1942 (1977) a The Best of Robert Heinlein 1947-1959 (1977). Několik esejů a povídek vyšlo také ve sbírce Requiem: New Collected Works (1992) a práce spadající spíše do žánru fantasy jsou shrnuty v souboru The Fantasies of Robert A. Heinlein (1999). Nutno dodat, že většina povídkové tvorby vznikla během čtyřicátých a padesátých let. Ve sbírce The Notebooks of Lazarus Long (1978) jsou shrnuty početné aforismy Lazara Longa, snad nejoblíbenější autorovy literární postavy.
Pozoruhodnou knihou je výběr z autorovy korespondence příznačně nazvaný Grumbles from the Grave (ed. Virginia Heinlein 1989-Locus). Mechanismy vysoké politiky jsou tématem posmrtně vydané nonfiction knihy Take Back Your Government: A Practical Handbook for the Private Citizen Who Wants Democracy to Work (1992), která byla autorem napsána již v roce 1946. Z pozůstalosti čerpá také kniha Tramp Royale (1992), ve které autor popisuje svou cestu kolem světa z let 1953-1954. Na závěr zbývá uvést také antologii Tomorrow the Stars (1952) a román Destination Moon (1979), jenž vznikl při práci na známém filmu stejného jména. Scénáře povětšinou televizního charakteru shrnuje sbírka Project Moonbase and Others (2008). V roce 1975 obdržel autor jako první významný titul Velmistra žánru, jeho dílem se zabývá několik literárních studií, z nichž jmenujme především knihy Heinlein in Dimension (1968) od Alexeie Panshina, Robert A. Heinlein: Stranger in his Own Land (1976, přepr. 1977) a The Classic Years of Robert A. Heinlein (1977) od George Edgara Slussera, Robert A. Heinlein: America as Science Fiction (1980) od H. Bruce Franklina, Robert A. Heinlein: A Reader’s Companion (2000) Jamese Gifforda, The Counterfeit Heinlein (2001) od Laurince M. Janifera či sbírku esejů Robert A. Heinlein (ed. J. D. Olander a Martin H. Greenberg 1978).