Astairen ja Rogersin ensimmäinen parivaljakko oli vuoden 1933 elokuvassa Flying Down to Rio. He olivat sivurooleissa, viidennessä ja neljännessä roolissa, mutta heidän esityksensä ”Carioca”-numerossa oli elokuvan kohokohta, ja RKO Radio Pictures halusi hyödyntää heidän suosiotaan.
Vuonna 1934 Astaire ja Rogers tekivät musikaalielokuvan The Gay Divorcee (Homo eronnut), jonka pääosassa oli Edward Everett Horton. Se oli heidän ensimmäinen yhteinen pääroolinsa elokuvassa, ja se tuotti jopa enemmän kuin Flying Down to Rio, 1,8 miljoonan dollarin maailmanlaajuisilla vuokrilla; elokuvassa esitettiin myös Cole Porterin klassikkokappale ”Night and Day”. Elokuvan kappale ”The Continental” oli hitti, ja se oli myös ensimmäinen kappale, joka voitti parhaan alkuperäisen laulun Oscar-palkinnon vuoden 1934 Oscar-gaalassa.
Astaire ja Rogers tekivät kaksi elokuvaa vuonna 1935. Roberta-elokuvassa, jossa esitettiin kappale ”I Won’t Dance”, Astaire ja Rogers saivat toisen ja kolmannen sijan Irene Dunnen takana. Elokuva oli hitti, ja sen maailmanlaajuiset vuokratulot olivat 2,3 miljoonaa dollaria. Top Hat, jossa oli mukana myös Horton, oli ensimmäinen kerta, kun kaksikko sai elokuvan, joka oli kirjoitettu vain heille, ja se osoittautui yhdeksi vuoden menestyneimmistä elokuvista, jonka maailmanlaajuinen vuokraus oli 3,2 miljoonaa dollaria. Se oli RKO:n kannattavin elokuva 1930-luvulla, sillä sen voitto oli 1,3 miljoonaa dollaria.
Heidät äänestettiin neljänneksi Quigley Publishing Companyn julkaisemassa Top Ten Money Making Stars Poll -kyselyssä vuosilta 1934-1935.
Vuoteen 1936 mennessä Astaire ja Rogers olivat lippukassojen kärkinimiä. Samana vuonna he tekivät vielä kaksi elokuvaa yhdessä: Follow the Fleet ja Swing Time, jotka molemmat olivat hittejä ja tuottivat maailmanlaajuisesti 2,7 miljoonaa dollaria ja 2,6 miljoonaa dollaria. Follow the Fleet -elokuvassa kuultiin jälleen Irving Berlinin musiikki, joka sisälsi vinjetin ”Let’s Face the Music and Dance”. Swing Time tuotti Jerome Kernin kirjoittaman ja Dorothy Fieldsin sanoittaman Oscar-palkitun laulun ”The Way You Look Tonight”, jonka Astaire lauloi Rogersille. John Mueller on maininnut Swing Timen sisältävän ”maailmankaikkeuden historian parasta tanssia”. Arlene Croce pitää Swing Timen tanssikohtauksia (esim. ”Never Gonna Dance”) taiteensa huippuna. Tämän kohtauksen viimeistelyyn tarvittiin 47 otosta, joiden aikana tanssijoiden oli noustava portaita ylös ja pyöriteltävä, kunnes he saivat sen täydelliseksi. Kuvausten lopussa Rogersin jalat vuotivat verta. Heidät äänestettiin vuoden 1936 kolmanneksi eniten rahaa tienanneiksi tähdiksi vuotuisessa Quigley-kyselyssä.
Astaire ja Rogers tekivät vuonna 1937 yhden elokuvan, Shall We Dance, jälleen yhdessä Edward Everett Hortonin kanssa. Vaikka elokuva oli RKO:n vuoden suurin elokuva 2,2 miljoonan dollarin maailmanlaajuisilla vuokratuloillaan, se ei menestynyt niin hyvin kuin studio oli odottanut. Shall We Dance oli veljesten George ja Ira Gershwinin ensimmäinen Hollywood-musiikki, joka sisälsi kappaleen ”They Can’t Take That Away from Me”. Vaikka Astaire ja Rogers tekivät vielä kaksi elokuvaa yhdessä RKO:lle, elokuvan suhteellinen pettymys lippuluukuilla oli heidän yhteistyönsä lopun alku.
Epätavallisen pitkän erossa olon jälkeen Astaire ja Rogers tekivät vain yhden elokuvan yhdessä vuonna 1938, 80-minuuttisen Carefree-elokuvan. Rogers esiintyi erossa ollessaan menestyselokuvassa Stage Door, kun taas Astaire esiintyi Joan Fontainen rinnalla musikaalissa A Damsel in Distress, joka oli hänen ensimmäinen tappiollinen elokuvansa. Carefree merkitsi poikkeusta heidän valkokangaskaavaansa, sillä siinä Astaire esiintyi tavanomaisesta roolistaan poikkeavassa roolissa ja musiikillisia elementtejä korostettiin vähemmän. Carefree piti alun perin sisältää Technicolor-kuvissa kuvattuja jaksoja, mutta RKO katsoi kustannusten olevan liian suuret, joten se kuvattiin mustavalkoisena. Elokuvassa on Irving Berlinin musiikki, jossa on vain neljä kappaletta, mikä on vähiten Astairen ja Rogersin elokuvissa. Vaikka kriitikot saivat elokuvasta hyvän vastaanoton, ja Motion Picture Heraldin William R. Weaver kutsui sitä ”parhaaksi Astaire-Rogers-elokuvaksi”, se oli heidän kallein elokuvansa tähän mennessä, sillä se maksoi 1,3 miljoonaa dollaria ja oli lopulta tappiollinen studiolle, vaikka sen maailmanlaajuiset vuokratulot olivat 1,7 miljoonaa dollaria.
Vuonna 1939 Astaire ja Rogers tekivät elokuvan The Story of Vernon and Irene Castle. Se oli heidän yhteistyönsä loppu kymmeneksi vuodeksi. Useista menestyselokuvista huolimatta RKO oli konkurssin edessä. Viimeisimpien Astaire-Rogers -elokuvien korkeiden kustannusten ja alhaisen tuoton sekä tähtien yhteisen halun haarautua muualle, RKO ilmoitti valkokangaskumppanuuden päättymisestä. Vaikka heidän suhteensa säilyi ystävällisenä, molemmat halusivat tutkia uusia mahdollisuuksia. Rogers oli kiinnostunut dramaattisemmista rooleista kuin mitä hänelle oli tarjottu Astairen kanssa. Samaan aikaan Astaire, joka työskenteli uransa aikana monien tanssijoiden kanssa, halusi tulla tunnetuksi omana tanssijanaan sen sijaan, että hän olisi aina ollut yhden vakituisen kumppanin parina.