Elle participe à sa première compétition à peine quatre mois avant les Jeux Olympiques en 1928. Dans son premier meeting en plein air, elle établit un record mondial au 100m. Le 100m de 1928 est la première épreuve féminine d'athlétisme à être disputée dans l'histoire olympique. Robinson remporte la finale d'un demi-mètre alors qu'elle ne participe que pour la quatrième fois à une rencontre d'athlétisme. Elle obtient également une médaille d'argent dans le relais 4x100m.
Trois ans après son triomphe olympique, l’athlète américaine est gravement blessée lors d'un accident d'avion. L'homme qui la découvre la croit morte, la met dans le coffre de sa voiture et l'amène chez un entrepreneur de pompes funèbres. Après un coma de sept semaines, elle reste incapable de marcher normalement pendant deux ans …mais elle survit. Robinson veut revenir à la course de compétition, mais n'est plus en mesure de plier totalement la jambe au niveau du genou, ce qui l'empêche donc de prendre la position accroupie du départ. En revanche, elle peut participer aux relais. En 1936, Betty Robinson remporte une deuxième médaille d'or comme membre de l'équipe américaine de relais 4x100m.