Dolina była zlodowacona, ma wyraźny U-kształtny przekrój i wały morenowe.
Historia Nazwa doliny pochodzi od starej roboty, czyli nieczynnych sztolni dawnej kopalni, która działała w Banistym Żlebie na zboczach Ornaku już w 1520 r., a być może nawet wcześniej. Była to jedna z najstarszych kopalni w polskich Tatrach. Wydobywano tu rudy antymonowo-miedziane z domieszką srebra (80 g w 100 kg rudy). Później eksploatowano także piryt. Pozostałością po kopalni są zawalone sztolnie, hałdy oddzielonego od rudy płonnego urobku i ślady po młynie do kruszenia rudy.
U wylotu doliny istniał budynek leśny, który w 1911 r. został przerobiony przez ZON (SN TT) na schronisko, głównie dla narciarzy. Nocował w nim m.in. Karol Szymanowski. Schronisko było jednak demolowane przez górali i ok. 1930 r. nie nadawało się już do użytku. W górnej części doliny na Starorobociańskiej Równi od 1938 r. istniało niewielkie prywatne schronisko. W czasie wojny było wykorzystywane przez partyzantów Armii Krajowej (oddział „Smrek” z zachodniego Podhala). W styczniu 1944 r. Niemcy zaatakowali zgrupowania partyzanckie w Dolinie Chochołowskiej i spalili schroniska, to w Dolinie Starorobociańskiej jednak ocalało. Po wojnie służyło za schronienie oddziałowi „Ognia” Józefa Kurasia walczącym z nowym komunistycznym reżimem. 7 grudnia 1946 r.