Ugyanebben az évben Sharon Tate szerepét játszotta Leonardo DiCaprio és Brad Pitt mellett Quentin Tarantino "Once Upon a Time in Hollywood" című komédiában, és Robbie volt Tarantino "első és egyetlen választása" a néhai színésznő szerepére. A fenyegetéssel a
A Tate-LaBianca-gyilkosságok háttérként szolgálnak, a film egy elhalványuló karakterszereplő (DiCaprio) és kaszkadőr-duplázája (Pitt) történetét meséli el, ahogy navigálnak a gyorsan változó filmiparban 1969-ben Los Angelesben. Robbie "rendkívüli felelősségérzetet" érezve felkészült a szerepre Tate családtagjaival és barátaival való találkozással, az összes filme megtekintésével és Tate akkori férje, Roman Polanski önéletrajzának elolvasásával. A "Once Upon a Time in Hollywood" premierje a 2019-es Cannes-i Filmfesztiválon volt, és kereskedelmi sikert aratott, világszerte 374,3 millió dolláros bevétellel. Annak ellenére, hogy sokan kritizálták Robbie-t a filmben a szövegek hiánya miatt, Robbie Collin a "The Daily Telegraph" című lapból kiemelte a Robbie-val való jelenetet a moziban, amelyet a film "legcsodálatosabb" jelenetének talált.