С 1760 года сенатор. В 1760 — 1763 годах — член, а затем председатель Уложенной комиссии. При дворе Петра III, фавориткой которого была его дочь Екатерина, являлся самой влиятельной фигурой. После свержения Петра, был арестован и выслан в Москву, лишен многих имений, затем наместник владимирский, пензенский и тамбовский, в царствование императрицы Екатерины II потерял около 2/3 состояния, при этом прославился лихоимством, доведя до разорения три губернии.
Старший сын Иллариона Гавриловича Воронцова от брака его с Анной Григорьевной Масловой. В молодости Роман Воронцов служил (1733) в лейб-гвардии Измайловском полку, в 1730-х годах поддерживал цесаревну Елизавету Петровну, в том числе и материально. Принял участие в перевороте 25 ноября 1741 года, увёз из Петербурга членов Брауншвейгской фамилии.
В момент образования Российской академии стал её членом. В 1748 году награжден орденом Св. Анны. 5 сентября 1751 года награжден орденом Св. Александра Невского. За время царствования Елизаветы Петровны Роман Воронцов стал одним из богатейших людей России, владельцем поместий и заводов (ему принадлежали кроме больших поместий Верх-Исетский и др. металлургические заводы), сенатором и генерал-поручиком.
Грамотой римского императора Франца I (от 8 (19) января 1760 года) действительный камергер, генерал-поручик Роман Илларионович Воронцов вместе с родным братом, действительным камергером Иваном Илларионовичем, был возведён в графское Римской империи достоинство.
С приходом к власти Петра III Федоровича его положение при дворе укрепилось, поскольку его дочь Елизавета Романовна была фавориткой нового императора; 28 декабря 1761 (8 января 1762) года Р. И. Воронцов получил чин генерал-аншефа.
При Екатерине II был сначала в опале, даже был арестован и выслан в Москву, лишен ряда имений в Малороссии, однако, поскольку его вторая дочь — княгиня Е.Р. Дашкова — была подругой императрицы и участницей свержения Петра III, вскоре прощен.
В 1760 году Воронцов стал членом Уложенной комиссии, в которой, как и в Комиссии о правах дворянства (1763), выступал сторонником законодательного оформления сословных прав дворянства, в том числе права исключительного владения крепостными. Активно выступал против П. И. Шувалова; отстаивал программу монополии дворянства на владение землей и крепостными, выступал за развитие дворянского предпринимательства.
Новым назначениям и карьере Воронцов оказался обязан народным волнениям. Пугачевщина выявила многие недостатки провинциального управления империи. Попыткой исправить положение стала реформа 1775 года, по которой вместо 23-х губерний было создано 50. Губернскую администрацию возглавлял наместник или генерал-губернатор, управлявший двумя-тремя губерниями. Наместнику были даны большие права.
В марте 1778 года, по указу Екатерины II, было образовано Владимирское, в 1779 — Тамбовское, а в 1780 — Пензенское наместничества. Первым владимирским, пензенским и тамбовским наместником и генерал-губернатором стал Роман Воронцов. Своими поборами и лихоимством он довел вверенные ему губернии до крайнего разорения, за что получил прозвище «Роман — большой карман».
Историк князь М. М. Щербатов писал о нём: « Граф Роман Ларионович Воронцов, во все время своей жизни признанный мздоимцем, был определен в наместники во Владимир и не преставал обыкновенные свои мздоимствы производить. »
Дело дошло до того, что Екатерина прислала ему подарок с намеком — большой кошелек, который прибыл к нему как раз на именины и, говорят, так на него подействовал, что он вскоре заболел и умер 11 декабря 1783 года.
Именным Высочайшим указом, от 5 (16) апреля 1797 года, повелено род Римской империи графов Воронцовых ввести в число родов графских Российской империи.
Имел братьев: Михаила Илларионовича Воронцова и Ивана Илларионовича Воронцова. Был женат на богатой сибирской купчихе, близкой к имп. Елизавете, Марфе Ивановне Сурминой, от которой имел дочерей: Елизавету, фаворитку Петра III, Екатерину, впоследствии гр. Дашкову, президента Российской Академии, и сыновей — Александра, государственного канцлера, и Семена, посланника в Лондоне, отца фельдмаршала.