Astaire et Rogers ont été associés pour la première fois dans le film Flying Down to Rio de 1933. Ils ont été distribués dans des rôles secondaires, avec respectivement la cinquième et la quatrième place, mais leur performance dans le numéro « Carioca » a été le point culminant du film, et RKO Radio Pictures était désireux de capitaliser sur leur popularité.
En 1934, Astaire et Rogers ont fait le film musical The Gay Divorcee, qui mettait en vedette Edward Everett Horton. C’était leur premier rôle principal commun dans un film et il a rapporté encore plus que Flying Down to Rio, avec des locations mondiales de 1,8 million de dollars ; le film a également présenté la chanson classique de Cole Porter « Night and Day ». La chanson « The Continental » tirée du film a été un succès et a également été la première chanson à remporter l’Oscar de la meilleure chanson originale aux Oscars de 1934.
Astaire et Rogers ont tourné deux films en 1935. Dans Roberta, qui comportait la chanson « I Won’t Dance », Astaire et Rogers étaient respectivement en deuxième et troisième position, derrière Irene Dunne. Ce film fut un succès, avec des recettes mondiales de 2,3 millions de dollars. Top Hat, qui mettait également en vedette Horton, marquait la première fois que le duo avait un film écrit uniquement pour eux, et il s’est avéré être l’un des films les plus réussis de l’année, avec des locations mondiales de 3,2 millions de dollars. C’est le film le plus rentable que la RKO ait réalisé dans les années 1930, avec des bénéfices de 1,3 million de dollars.
Ils ont été élus quatrièmes sur le sondage des dix stars les plus rentables pour 1934-1935, tel que publié par la Quigley Publishing Company.
En 1936, Astaire et Rogers étaient en tête du box-office. Cette année-là, ils tournent encore deux films ensemble : Follow the Fleet et Swing Time, qui furent tous deux des succès, rapportant respectivement 2,7 et 2,6 millions de dollars de recettes mondiales. Follow the Fleet s’enorgueillit d’une autre partition d’Irving Berlin, qui comprend la vignette « Let’s Face the Music and Dance ». Swing Time a donné naissance à la chanson oscarisée « The Way You Look Tonight », écrite par Jerome Kern avec des paroles de Dorothy Fields, qu’Astaire a chantée à Rogers. John Mueller a dit de Swing Time qu’il possédait « la meilleure danse de l’histoire de l’univers ». Les séquences de danse de Swing Time (par exemple, « Never Gonna Dance ») sont considérées par Arlene Croce comme le point culminant de leur art. Cette scène a nécessité 47 prises pour être mise au point, au cours desquelles les danseurs ont dû monter des escaliers en tournant, jusqu’à ce qu’ils la perfectionnent. À la fin du tournage, les pieds de Rogers saignaient. Ils ont été élus les troisièmes stars les plus rentables de 1936 dans le sondage annuel de Quigley.
Astaire et Rogers ont fait un film en 1937, Shall We Dance, une fois de plus avec Edward Everett Horton. Bien que le film ait été le plus grand film de la RKO de l’année, avec des locations mondiales de 2,2 millions de dollars, il n’a pas eu les résultats escomptés par le studio. Shall We Dance avait la première partition hollywoodienne des frères George et Ira Gershwin, et comprenait la chanson « They Can’t Take That Away from Me ». Bien qu’Astaire et Rogers allaient faire deux autres films ensemble pour la RKO, la relative déception du film au box-office fut le début de la fin de leur partenariat.
Après une période inhabituellement longue de séparation, Astaire et Rogers ne firent qu’un seul film ensemble en 1938, le Carefree de 80 minutes. Pendant leur période de séparation, Rogers est apparu dans le film à succès Stage Door, tandis qu’Astaire est apparu aux côtés de Joan Fontaine dans la comédie musicale A Damsel in Distress, le premier film qu’il avait fait à perdre de l’argent. Carefree marque un changement dans leur formule à l’écran, avec Astaire dans un rôle différent de son personnage habituel, et une moindre importance accordée aux éléments musicaux. Carefree était à l’origine censé inclure des séquences tournées en Technicolor, mais RKO a jugé le coût prohibitif, et le film a donc été tourné en noir et blanc. Ce film comporte une partition musicale d’Irving Berlin avec seulement quatre chansons, le plus petit nombre de chansons dans un film d’Astaire et Rogers. Bien que le film ait été bien accueilli par la critique, William R. Weaver du Motion Picture Herald le qualifiant de » plus grand film d’Astaire-Rogers « , il fut leur film le plus cher à ce jour, coûtant 1,3 million de dollars et perdant finalement de l’argent pour le studio, malgré des locations mondiales de 1,7 million de dollars.
En 1939, Astaire et Rogers réalisèrent The Story of Vernon and Irene Castle. C’est la fin de leur partenariat pendant dix ans. Malgré plusieurs films à succès, la RKO était confrontée à la faillite. En raison du coût élevé et des faibles bénéfices des derniers films d’Astaire et Rogers, ainsi que du désir mutuel des stars de se diversifier, RKO annonce la fin de leur partenariat à l’écran. Bien que leur relation soit restée amicale, tous deux souhaitaient explorer de nouvelles avenues. Rogers était intéressée par des rôles plus dramatiques que ceux qu’on lui proposait avec Astaire. De son côté, Astaire, qui a travaillé avec de nombreux danseurs tout au long de sa carrière, souhaitait être connu comme un danseur à part entière, plutôt que d’être toujours associé à un partenaire permanent.