Роберт Карлайл родился 14 апреля 1961 в городе Мэрихилл, в одном из старинных районов Глазго. Рос в семье шотландцев - Элизабет и Джозефа Карлайла. Мать оставила сына на воспитание отцу, художнику-декоратору, когда Роберту исполнилось три года. Джозеф зарабатывал от случая к случаю, и они с сыном жили на грани нищеты. Когда Роберту было около семи лет, отец вместе с ним присоединились к коммуне хиппи, которая не имела постоянного места проживания, предпочитая сквоттинг.

    Несколько лет они жили в заброшенном доме в Челси, а затем прожили 18 месяцев под пирсом на пляже Брайтона. В 16 лет Роберту пришлось бросить школу, чтобы помогать отцу оформлять витрины, работал чернорабочим и превратился в «трудного подростка». Но вовремя осознав, что скатывается вникуда, молодой человек начал посещать вечерние классы в Cardonald College. До начала своей актёрской карьеры, по собственному признанию в Twitter, хотел стать футболистом.

    Благодаря пьесам Артура Миллера Карлайл увлёкся театром, что привело его в 21 год в актёрскую студию при Центре искусств Глазго. Впоследствии, в 1983 году он поступил в Королевскую шотландскую академию музыки и драматического искусства, откуда ушёл в 1986-м, разочаровавшись в учёбе. До начала 1990-х годов он преимущественно участвовал в различных театральных постановках. Вместе с четырьмя актёрами-друзьями основал театральную группу Raindog Theatre Company, которая выпустила в 1991 году свой первый спектакль - сценическую версию романа «Пролетая над гнездом кукушки».

    Первой заметной ролью в кино стал фильм «Рифф Рафф» британского режиссёра Кена Лоуча. Мировую известность ему принесли фильмы «На игле» 1996 года и «Мужской стриптиз» 1997 года, за который Роберт получил премию BAFTA. Он также принял участие в «бондиане», снявшись в девятнадцатой картине цикла - «И целого мира мало» в 1999 году.

    Критики неоднократно отмечали универсальность актёрского мастерства Карлайла и разнообразие его ролей - от священника до каннибала. Он скрупулёзно изучает характер своих персонажей, добиваясь наибольшей реалистичности и образности: так, однажды он спал пять ночей на лондонских улицах вблизи вокзала «Ватерлоо», работая над ролью бездомного в телефильме Safe, BBC, 1993 год. В перечне его значительных телевизионных работ - полицейский сериал «Хэмиш Макбет», канадский мини-сериал «Гитлер: Восхождение дьявола», «Живой товар», фантастические сериалы «Звёздные врата: Вселенная» и «Однажды в сказке».

    В начале июня 2014 года Роберт Карлайл в качестве режиссёра приступил к съёмкам своего первого полнометражного фильма «Легенда о Барни Томсоне» IMDb в жанре чёрной комедии по роману Дугласа Линдси «Долгая полночь Барни Томсона». Он же играет главную роль - парикмахера Барни, волей нелепых случайностей сделавшегося серийным убийцей. В актёрском ведущем составе - Эмма Томпсон, Рэй Уинстон и Том Кортни. Премьера фильма состоялась в июне 2015 года на Эдинбургском кинофестивале. В мае 2016 года в Шотландии начались съёмки продолжения фильма «На игле», где Роберт вернулся к образу Бегби через много лет после тех событий, что имели место в первой картине.

    С декабря 1997 года Роберт Карлайл женат на гримёре-художнике Анастасии Ширли. У них трое детей: дочь и два сына. С Анастасией познакомился на съёмках сериала «Метод Крекера». Семья живёт в Глазго. В начале января 2006 года скончался отец Роберта, с которым он был очень близок; актёр на время прекратил какую-либо публичную деятельность и ушёл из фильма «Настоящий север», в котором начал сниматься в главной роли.