Astaire en Rogers werden voor het eerst aan elkaar gekoppeld in de film Flying Down to Rio uit 1933. Ze speelden een bijrol, respectievelijk op de vijfde en vierde plaats, maar hun optreden in het nummer “Carioca” was het hoogtepunt van de film, en RKO Radio Pictures wilde graag munt slaan uit hun populariteit.

In 1934 maakten Astaire en Rogers de musicalfilm The Gay Divorcee, met Edward Everett Horton in de hoofdrol. Het was hun eerste gezamenlijke hoofdrol in een film en bracht zelfs meer op dan Flying Down to Rio, met een wereldwijde opbrengst van 1,8 miljoen dollar; de film bevatte ook het klassieke Cole Porter-lied “Night and Day”. Het lied “The Continental” uit de film was een hit en was ook het eerste lied dat de Academy Award won voor Best Original Song bij de Academy Awards van 1934.

Astaire en Rogers maakten twee films in 1935. In Roberta, met het liedje “I Won’t Dance”, waren Astaire en Rogers respectievelijk tweede en derde in de rol, achter Irene Dunne. Het was een hit, met een wereldwijde opbrengst van 2,3 miljoen dollar. Top Hat, waarin ook Horton meespeelde, was de eerste keer dat het duo een film had die alleen voor hen geschreven was, en het bleek een van de meest succesvolle films van het jaar te zijn, met een wereldwijde opbrengst van 3,2 miljoen dollar. Het was de meest winstgevende film die RKO in de jaren dertig maakte, met een winst van $ 1,3 miljoen.

Ze werden als vierde gekozen in de Top Ten Money Making Stars Poll voor 1934-1935, zoals gepubliceerd door Quigley Publishing Company.

Tegen 1936 waren Astaire en Rogers top box office namen. Dat jaar maakten ze nog twee films samen: Follow the Fleet en Swing Time, die beide hits waren en wereldwijd respectievelijk $2,7 miljoen en $2,6 miljoen opbrachten. Follow the Fleet had weer een Irving Berlin score, met het vignet “Let’s Face the Music and Dance”. Swing Time bracht het Oscarwinnende lied “The Way You Look Tonight” voort, geschreven door Jerome Kern met tekst van Dorothy Fields, dat Astaire zong voor Rogers. John Mueller noemde Swing Time “het beste dansen in de geschiedenis van het universum”. De dansscènes voor Swing Time (bv. “Never Gonna Dance”) worden door Arlene Croce beschouwd als het hoogtepunt van hun kunst. Het kostte 47 takes om deze scène te perfectioneren, waarbij de dansers al draaiend een trap op moesten lopen, totdat ze de scène hadden geperfectioneerd. Aan het eind van de opname bloedden Rogers voeten. Ze werden in de jaarlijkse Quigley poll uitgeroepen tot de op twee na meest verdienende sterren van 1936.

Astaire en Rogers maakten in 1937 één film, Shall We Dance, opnieuw met Edward Everett Horton in de hoofdrol. Hoewel de film RKO’s grootste film van het jaar was, met een wereldwijde opbrengst van 2,2 miljoen dollar, deed hij het niet zo goed als de studio had verwacht. Shall We Dance had de eerste Hollywood-score van de gebroeders George en Ira Gershwin, en bevatte het lied “They Can’t Take That Away from Me”. Hoewel Astaire en Rogers nog twee films samen zouden maken voor RKO, was de relatieve teleurstelling van de film aan de kassa het begin van het einde van hun partnerschap.

Na een ongewoon lange periode uit elkaar, maakten Astaire en Rogers slechts één film samen in 1938, het 80 minuten durende Carefree. Gedurende hun tijd uit elkaar, verscheen Rogers in de succesvolle film Stage Door, terwijl Astaire naast Joan Fontaine verscheen in de musical A Damsel in Distress, de eerste film die hij had gemaakt die geld verloor. Carefree betekende een verandering voor hun formule op het scherm, met Astaire in een rol die anders was dan zijn gebruikelijke typecast persona, en met minder nadruk op de muzikale elementen. Carefree zou oorspronkelijk scènes in Technicolor bevatten, maar RKO vond de kosten te hoog, dus werd er in zwart-wit gefilmd. Deze film had een Irving Berlin muziekscore met slechts vier liedjes, het minste in een film van Astaire en Rogers. Hoewel de film door de critici goed werd ontvangen, en William R. Weaver van de Motion Picture Herald het “de beste film van Astaire en Rogers” noemde, was het hun duurste film tot nu toe, die 1,3 miljoen dollar kostte en uiteindelijk geld verloor voor de studio, ondanks wereldwijde huuropbrengsten van 1,7 miljoen dollar.

In 1939 maakten Astaire en Rogers The Story of Vernon and Irene Castle. Het was het einde van hun samenwerking voor tien jaar. Ondanks een aantal succesvolle films, stond RKO voor een faillissement. Vanwege de hoge kosten en lage winst van de meest recente Astaire-Rogers films, samen met de wederzijdse wens van de sterren om hun horizon te verbreden, kondigde RKO het einde aan van hun partnerschap op het scherm. Hoewel hun relatie vriendschappelijk bleef, wilden beiden nieuwe wegen verkennen. Rogers was geïnteresseerd in meer dramatische rollen dan die haar met Astaire waren aangeboden. Astaire, die gedurende zijn hele carrière met veel dansers werkte, wilde bekend worden als een danser in zijn eigen recht, in plaats van altijd gekoppeld te zijn aan één vaste partner.