Роберт Вагнер родился в Детройте, Мичиган. Его отец занимал пост руководителя металлургического завода.
В возрасте семи лет вместе со своей семьей он переехал в Лос-Анджелес, Калифорния. Именно там юный Роберт решил стать актером и начал развиваться в том направлении.Роберт прославился в 1952 году, снявшись в двухминутном эпизоде в фильме «С песней в сердце» (англ. With a song in my heart), после которого он получал от поклонниц по пять тысяч писем в неделю. Благодаря этой небольшой роли на него обратило внимание руководство компании «20th Century Fox» , с которым был заключен выгодный контракт.
В 1957 году он женился на Натали Вуд. Натали к тому времени была уже звездой Голливуда. Звёздный 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 Вагнер заключил брак с актрисой Джилл Ст. Джон.