TL;DR

Android Studioでテストをエラーなく、かつ高速に実行できるようになるまでの手順があまりに多いので、最新の手順をまとめてみた。

テストコードの準備、またはRobolectricの導入

app/bulid.gradleに依存関係を追加

dependencies {
    ...
    testCompile 'org.robolectric:robolectric:2.4'
}

最新版を公式で確認して下さい。

CustomRobolectricTestRunnerを設置

public class CustomRobolectricTestRunner extends RobolectricTestRunner {
    public CustomRobolectricTestRunner(Class<?> testClass) throws InitializationError {
        super(testClass);
        String buildVariant = (BuildConfig.FLAVOR.isEmpty() ? "" : BuildConfig.FLAVOR + "/") + BuildConfig.BUILD_TYPE;
        System.setProperty("android.package", BuildConfig.APPLICATION_ID);
        System.setProperty("android.manifest", "build/intermediates/manifests/full/" + buildVariant + "/AndroidManifest.xml");
        System.setProperty("android.resources", "build/intermediates/res/" + buildVariant);
        System.setProperty("android.assets", "build/intermediates/assets/" + buildVariant);
    }
}

（※Resource not foundなどというエラー出たら補足を参照のこと）

Robolectricを参照するテストコードにannotationを追加

@Config(emulateSdk = 18)
@RunWith(CustomRobolectricTestRunner.class)
public class FoobarTest {
    @Test
    public testHoge() {
        Context context = Robolectric.applciation.getApplicationContext();
        Foobar foobar = new Foobar(context);
        ...
    }
}

Android Studioの設定

Run ConfigurationsでJUnit用のWorking Directoryを $MODULE_DIR$ に変更

追記：1.2.2のデフォルト設定では $MODULE_DIR$ になっています。

defaultを変更しておくと便利です。既存のConfigurationがある場合は書き換えるか消しておくとよいと思います。

Build VariantsのタブでTest ArtifactをUnit Testsに変更

デフォはAndroid Instrumentation Testsになってるはずです。

実行

全部実行はtest/javaディレクトリを右クリックすれば簡単にできます。1回実行すればRun Configurationsに追加されます。

テストの開始までが遅い場合

Run/Debug ConfigurationsのBefore launchで"Gradle-aware Make"のほかに"Make"とかの余計なものがないか確認します。

追記：1.2.2のデフォルト設定では、Makeだけが入ってました。下記の設定をしなければ、Makeにしておくほうがデフォルトに準拠していて良いかもです。

また、Android Studio 1.4未満はテスト実行に不要なapk作成までやってしまい遅いので、Gradle-aware Makeにtaskの設定をするともう少し早くなります。

FooBarの部分は"Debug"など、 現在の Build Variantに該当する名前を書きます。

補足

Robolectric

Androidの機能を使うテストは本来は実機やエミュレータで実行しなくてはなりませんが、このライブラリを使うとPC上で高速に実行できるようになります。

CustomRobolectricTestRunner

元ネタ：https://github.com/robolectric/robolectric-gradle-plugin/issues/142#issuecomment-103962546

なぜ必要か

RobolectricのJavaライブラリに、buildされたresource群やAndroidManifestファイルの位置を知らせるために必要です。
これがないとgetResources()やgetString()を叩くなどするとresourceが見つからない旨のエラーが出ます。

別の対応としてrobolectric-gradle-pluginもありますが、Android StudioでJUnit実行するとgradleを介さず起動するので、効果がありません。なので、pluginでやってることをCustomRobolectricTestRunnerにやらせます。
（余談ですが最近のrobolectric-gradle-pluginはRobolectricGradleTestRunnerが不要になったようです。）

Resource not foundのようなエラーが出る場合

build.gradleでapplicationIdを使い分けている等の場合は、android.packageのBuildConfig.APPLICATION_IDをデフォルトのapplicationId（恐らくAndroidManifest.xmlのandroid:package）に書き換えないとエラーが出ます。
直接パッケージ名を記載したくない場合はbuild.gradleにbuildConfigFieldを書くと便利です。
https://github.com/robolectric/robolectric-gradle-plugin/issues/142#issuecomment-112386932

`@Config`

robolectric 3.0ならemulateSdkは21までいけるらしいです。書き方が@Config(sdk = 21)に変わっています。
robolectric 3.0ならapp/src/test/resources/robolectric.propertiesにsdk=21と記載すれば@Config書かなくてすみます。（ @kyanro@github さんありがとうございます！）

$MODULE_DIR$

gradleは最初からmoduleの中（/path/to/project/app）で実行してくれるんですが、Android StudioのJUnit実行のデフォルトはprojectディレクトリ（/path/to/project）になってます。

Before launchのGradle-aware MakeとMake

手元の環境だとなぜだか実行時に2回ビルドが走るのでおかしいなと思ったら、MakeとGradle-aware Makeの両方が入っていました。　~~もしかしたら自分でやったのかもしれない・・・。~~ @ainame も同じ設定になっていたらしいので、前のバージョンからのアップデートとかでなるのかもしれないです。

Android Studio＆Robolectricでテストを正しく＆高速に動かす