Роберт Вагнер родился в Детройте, штат Мичиган. Его отец занимал пост руководителя металлургического завода. В возрасте семи лет вместе со своей семьей он переехал в Лос-Анджелес, штата Калифорния. Именно там юный Роббер решил стать актером и начал развиваться в этом направлении.
Во время семейного обеда в одном из ресторанов Лос-Анджелеса на Роберта обратил внимание Гарри Вилсон, который занимался поиском новых талантов. Он предложил ему попробовать себя на большом экране.
В 1950 году Роберт Вагнер дебютировал в картине «The Happy Years». В 1952 году он сыграл в нескольких эпизодах фильма «With a Song in My Heart». Благодаря этой небольшой роли на него обратило внимание руководство компании «20th Century Fox» и в дальнейшем начинающему актеру был предложен выгодный контракт. Следующими работами актера стали крупные роли в фильмах «Mile Reef» и «Prince Valiant». В 1956 году он сыграл ведущие роли в фильмах «A Kiss Before Dying» и «Between Heaven and Hell».
За свои заслуги перед кинематографом Роберт Вагнер удостоился награды «Golden Globe». Одними из лучших работ актера стали фильмы «The Man Who Invented Rock Hudson: The Pretty Boys» и «Dirty Deals of Henry Willson».
Роберт Вагнер был большим любителем женщин и постоянно находился в обществе роскошных и красивых дам. Долгое время он ухаживал за Барбарой Стэнвик. Так же актер имел романтические отношения с Джоан Коллинс и Дебби Реинольдс.
В 1957 году он женился на Натали Вуд. Натали к тому времени была уже звездой Голливуда. Звездный брак оказался недолговечным. Через четыре года Натали и Роберт развелись. Однако в 1972 году Натали вернулась к Роберту, вплоть до своей смерти в 1981 году. В 1991 году актер женился на актрисе Джилл Сент-Джон.