Детство прошло в настоящей бедности. Робби воспитывал отец-одиночка Джозеф Карлайл, бывший художником-декоратором в коммуне хиппи. Но, несмотря на это, он с душевным трепетом вспоминает те времена и говорит, что подался в актеры во многом под влиянием врожденной артистичности своего родителя. Ведь тот, во-первых, был потрясающим рассказчиком, а во-вторых, настоящим хамелеоном, когда "обрабатывал" потенциальных клиентов.
Когда ему было четыре года, его мать ушла из семьи, и Роберта воспитывал отец. В детстве Роберт практически не имел возможности смотреть телевизор, зато много фантазировал и изображал. В 16 лет он бросил школу и стал помогать отцу оформлять витрины, постепенно становясь "трудным подростком", но вовремя понял, что скатывается в никуда, а смерть друга стала дополнительным холодным душем. Но до большого успеха было еще очень далеко. В 16 лет он уехал в Англию, но через несколько лет вернулся в Шотландию.
Прочитав пьесу Артура Миллера "Испытание", Карлайл увлекся театром, стал заниматься в актерских классах в Центре искусств в Глазго, а позже один семестр проучился в Королевской шотландской академии музыки и драматического искусства.
Актер подвизался на различных ролях на телевидении, играл на театральных площадках, блеснув ролью Оберона в спектакле "Сон в летнюю ночь", поставленную Королевским шотландским оркестром. А вот с кино как-то не складывалось, пока в 1991 г. он не сыграл строительного клерка в производственном фильме К.Лоуча "Рифф Рафф". Лента собрала массу наград и заставила обратить внимание на Роберта.
В 1991 году Роберт Карлайл вместе с четырьмя другими актерами основал театральную труппу "Raindog", которая заметна новаторскими постановками.
Киноаудитория узнала об актере в 1991 году, после фильма Кена Лоуча "Подонки". Карлайла заметили, и вскоре последовали новые работы. Международное признание пришло к нему после роли Бегби в фильме "На игле", вышедшего на экраны в 1996 году. В том же фильме снимался и Эван Макгрегор. На следующий год успех ожидал его с картиной Питера Каттанео "Мужской стриптиз", номинированной на пять "Оскаров". Благодаря этому Роберт Карлайл стал одним из самых "кассовых" зарубежных актеров в Голливуде.
Но мировую известность ему принес фильм "На игле". А после выхода на экраны "Мужского стриптиза" Карлайл стал не только "звездой", но и секс-символом. Но самое удивительное, что при этом он до сих пор избегает сниматься в высокобюджетных лентах, предпочитая им скромные, но самобытные независимые проекты, причем практически каждый раз меняя амплуа (от священника-гомосексуалиста до каннибала). И поэтому, когда Роберт согласился на участие в "бондиане" (говорят за $3 млн.), то это произвело эффект разорвавшейся бомбы. Ведь до этого он отказал продюсерам "Роб Роя", "Храброго сердца", "Чужих-4".
В 1999 году вместе с Лив Тайлер и Джонни Ли Миллером он снялся в историко-костюмном боевике "Планкетт и Маклейн", а вместе с Гаем Пирсом в весьма необычном фильме "Людоед" - помеси вестерна и "ужастика". В "бондовском" фильме "И целого мира мало" Роберту Карлайлу досталась роль главного злодея.
Роберт карлайн женат на Анастасии Ширли. Они встретились, когда она работала в качестве гримера на съемках сериала "Cracker".
28 декабря 1997 года у них состоялась свадьба. Супруги имеют троих детей: Ava (род. 2002), Харви (родился в марте 2004 года) и Джозеф Пирс (родился в апреле 2006 года).