Astaire og Rogers blev første gang parret sammen i filmen Flying Down to Rio fra 1933. De fik en birolle som henholdsvis nummer fem og fire, men deres optræden i “Carioca”-nummeret var filmens højdepunkt, og RKO Radio Pictures var ivrige efter at udnytte deres popularitet.

I 1934 lavede Astaire og Rogers musicalfilmen The Gay Divorcee, som havde Edward Everett Horton med i hovedrollen. Det var deres første fælles hovedroller i en film, og den indtjente endnu mere end Flying Down to Rio med en verdensomspændende indtjening på 1,8 millioner dollars; filmen indeholdt også den klassiske Cole Porter-sang “Night and Day”. Sangen “The Continental” fra filmen blev et hit og var også den første sang, der vandt en Oscar for bedste originale sang ved Oscar-uddelingen i 1934.

Astaire og Rogers lavede to film i 1935. I Roberta, som indeholdt sangen “I Won’t Dance”, fik Astaire og Rogers henholdsvis anden- og tredjepladsen bag Irene Dunne. Det blev et hit med en verdensomspændende indtjening på 2,3 millioner dollars. Top Hat, som også havde Horton med i hovedrollen, var første gang, at duoen fik en film skrevet udelukkende til dem, og den viste sig at blive en af årets mest succesfulde film med en verdensomspændende indtjening på 3,2 millioner dollars. Det var den mest indbringende film, som RKO lavede i 1930’erne, med et overskud på 1,3 millioner dollars.

De blev stemt på fjerdepladsen på Top Ten Money Making Stars Poll for 1934-1935, som blev offentliggjort af Quigley Publishing Company.

I 1936 var Astaire og Rogers topnavne i kasseapparaterne. Det år lavede de yderligere to film sammen: Follow the Fleet og Swing Time, som begge var hits og indtjente på verdensplan lejeindtægter på henholdsvis 2,7 millioner dollars og 2,6 millioner dollars. Follow the Fleet havde endnu et Irving Berlin-musik, som indeholdt vignetten “Let’s Face the Music and Dance”. Swing Time gav anledning til den Oscar-vindende sang “The Way You Look Tonight”, skrevet af Jerome Kern med tekst af Dorothy Fields, som Astaire sang for Rogers. John Mueller har citeret Swing Time for at have “den bedste dans i universets historie”. Danssekvenserne i Swing Time (f.eks. “Never Gonna Dance”) anses af Arlene Croce for at være højdepunktet i deres kunst. Det tog 47 optagelser at perfektionere denne scene, hvor danserne måtte gå op ad trapper og snurre rundt, indtil de havde perfektioneret den. Ved afslutningen af optagelserne blødte Rogers’ fødder. De blev i den årlige Quigley-undersøgelse kåret som de tredjestørste pengestærke stjerner i 1936.

Astaire og Rogers lavede én film i 1937, Shall We Dance, igen med Edward Everett Horton i hovedrollen. Selv om filmen var RKO’s største film i året med en indtjening på verdensplan på 2,2 millioner dollars, klarede den sig ikke så godt, som studiet havde forventet. Shall We Dance havde det første Hollywood-musik af brødrene George og Ira Gershwin og indeholdt sangen “They Can’t Take That Away from Me”. Selv om Astaire og Rogers skulle komme til at lave yderligere to film sammen for RKO, blev filmens relative skuffelse ved billetlugerne begyndelsen til enden på deres partnerskab.

Efter en usædvanlig lang periode adskilt fra hinanden lavede Astaire og Rogers kun én film sammen i 1938, den 80 minutter lange Carefree. I den tid, de var adskilt, optrådte Rogers i den succesfulde film Stage Door, mens Astaire optrådte sammen med Joan Fontaine i musicalen A Damsel in Distress, den første film, han havde lavet, som tabte penge. Carefree markerede en afvigelse fra deres filmformel, idet Astaire spillede en rolle, der ikke lignede hans sædvanlige typecastperson, og der blev lagt mindre vægt på de musikalske elementer. Det var oprindeligt meningen, at Carefree skulle indeholde sekvenser optaget i Technicolor, men RKO anså omkostningerne for uoverkommelige, så den blev filmet i sort-hvid. Denne film har et Irving Berlin-musikscore med kun fire sange, hvilket er det færreste i nogen Astaire og Rogers-film. Selv om filmen blev godt modtaget af kritikerne, og Motion Picture Heralds William R. Weaver kaldte den “den bedste Astaire-Rogers-film”, var det deres dyreste film til dato, idet den kostede 1,3 millioner dollars og i sidste ende tabte penge for studiet på trods af en verdensomspændende lejeindtægt på 1,7 millioner dollars.

I 1939 lavede Astaire og Rogers The Story of Vernon and Irene Castle. Det var afslutningen på deres partnerskab i ti år. Trods flere succesfulde film stod RKO over for konkurs. På grund af de høje omkostninger og det lave overskud i de seneste Astaire-Rogers-film, sammen med stjernernes fælles ønske om at forgrene sig, annoncerede RKO afslutningen af deres partnerskab på skærmen. Selv om deres forhold fortsat var venskabeligt, ønskede begge at udforske nye veje. Rogers var interesseret i mere dramatiske roller end dem, hun blev tilbudt sammen med Astaire. I mellemtiden ønskede Astaire, som arbejdede med mange dansere gennem hele sin karriere, at blive kendt som danser i sin egen ret, i stedet for altid at være sammen med én fast partner.