Fils d'un cadre de l'industrie sidérurgique de Detroit, Robert Wagner décide de devenir acteur après la découverte de Los Angeles où ses parents ont déménagé. Grâce aux relations de son père il peut fréquenter les grands studios où un chasseur de talent ne tarde pas à repérer son physique de jeune premier. Il fait ses débuts dans The Happy Years (1950, William A. Wellman) puis signe un contrat avec la 20th Century Fox.


Il enchaîne les seconds rôles romantiques mais le studio remarque ses talents dramatiques grâce à son interprétation d'un vétéran de la Seconde Guerre Mondiale dans
With a Song in my Heart (1952, Walter Lang). De plus en plus populaire il devient l'héroïque Prince Vaillant (1954, Henry Hathaway) puis prend son public à contre-pied en incarnant l'assassin calculateur de Baiser Mortel (1956, Gerd Oswald). Tête d'affiche comme dans Le Brigand bien-aimé (1957, Nicholas Ray) ou simple participant au sein de castings ambitieux comme Le Jour le plus long (1962), son divorce avec Natalie Wood ainsi que des revers de carrière vont l'amener à cesser de tourner deux ans durant après La Panthère rose (1964, Blake Edwards).


Il revient au cinéma en 1966 dans Détective privé de Jack Smight mais c'est à la télévision qu'il relance vraiment sa carrière grâce à la série Opération Vol. Il continue à tourner quelques longs métrages, notamment les films catastrophes La Tour infernale (1974, John Guillermin et Irwin Allen) et Airport 80 Concorde (1979, David Lowell Rich), devient une star en formant avec Stéfanie Powers le couple milliardaire Hart dans Pour l'amour du risque et se consacre dès lors presque exclusivement au petit écran. Il apparaît plus régulièrement au cinéma depuis 1997 et le succés de la série des Austin Powers de Jay Roach où il interprète le second du Dr Denfer dans les trois épisodes.