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Nato a Milano da genitori lucani, il padre Angelo è originario di Rionero in Vulture sua madre, Giovanna Caraffa, è di Scalera (frazione di Filiano); entrambi si trasferirono a Cinisello Balsamo (Milano) prima della sua nascita.

Roberto ha scoperto la passione per la boxe in tenera età, dopo aver assistito ad una riunione pugilistica svoltasi nella sua città. Fu scoperto da Biagio Pierri, ex pugile di pesi piuma e, all'età di 14 anni, iniziò a gareggiare nella società pugilistica "Rocky Marciano" di Cinisello, vincendo il primo titolo italiano, come Under 16, nel 1995, categoria pesi massimi.

Dal 2000 fa parte delle Fiamme Oro, la squadra sportiva della Polizia di Stato. In nazionale dal 1997, gareggia dal 2002 nella categoria supermassimi. Ha vinto, consecutivamente, i campionati italiani dal 2000 al 2007, dei quali i primi due disputati nella categoria dei massimi.

Nel 2002 raggiunge la finale dei Campionati europei di Perm 2002; si ripete, nel 2004, accedendo alla finale dei Campionati europei di Pola 2004 e nel 2011 nella finale della competizione europea di Ankara 2011.

Alle Olimpiadi di Atene 2004 ha vinto il bronzo nella categoria supermassimi, piazzamento ripetuto ai mondiali del 2005. Sempre nel 2004, ha ricevuto l'onorificenza di Cavaliere OMRI su iniziativa dell'allora presidente della Repubblica Carlo Azeglio Ciampi. Dal 2004 al 2007, Cammarelle ha vinto consecutivamente quattro campionati della comunità europea.

Ha conquistato poi la medaglia d'oro ai Giochi del Mediterraneo, ad Almeria nel 2005, e ai campionati mondiali di Chicago 2007.

Roberto partecipa alle Olimpiadi di Pechino 2008, dove vince la medaglia d'oro nella categoria +91 kg: in questo modo, a vent'anni dal successo di Giovanni Parisi, vincitore nei pesi piuma nei giochi di Seoul, l'Italia è tornata a vincere una medaglia d'oro olimpica nel pugilato. Cammarelle, che dopo aver battuto per KO in semifinale il britannico David Price, ha riservato in finale lo stesso trattamento al cinese Zhang Zhilei, sconfitto per KO tecnico.

Il 20 ottobre 2008, l'amministrazione comunale di Rionero in Vulture, gli ha conferito la "Cittadinanza Onoraria". Il 19 giugno 2009 viene nominato portabandiera della delegazione italiana ai Giochi del mediterraneo di Pescara 2009; è la prima volta per un pugile.

Il 2 luglio 2009 vince la medaglia d'oro ai Giochi del Mediterraneo di Pescara 2009. Il 12 settembre 2009 si riconferma campione del mondo dei supermassimi +91kg battendo a Milano il pugile ucraino Roman Kapitonenko.

Il 12 agosto 2012 alle olimpiadi di Londra ottiene la medaglia d'argento nei pesi supermassimi +91, perdendo, a seguito di un verdetto contestato, contro l'inglese Anthony Joshua. L'Italia presenterà inutilmente ricorso per il comportamento dubbio della giuria.

Nel 2013 ai mondiali di Almaty (Kazakistan) approda agevolmente alle semifinali, dove perde di misura contro il campione del mondo in carica, il pugile Azero Magomedrasul Medzidov che si confermerà in finale.