Er wurde als Robert John Wagner Jr. in Cincinnati, Ohio, geboren. Seine Eltern waren Robert John Wagner Sr., ein Handelsreisender für ein Pharmaunternehmen, und Helen (geb. Hohman) Wagner, eine Angestellte in einer Bäckerei. Er hatte eine jüngere Schwester, Mary Wagner, und einen jüngeren Bruder, William John Wagner.
Wagners Familie zog nach Los Angeles, als Bob 12 Jahre alt war. Er begann mit der Schauspielerei im Alter von 16 Jahren, als er von einem Talentscout entdeckt wurde, als er in einem High-School-Stück auftrat. Er unterschrieb bei der William Morris Agency und begann, in kleinen Rollen in Filmen und Fernsehsendungen aufzutreten.
Wagners großer Durchbruch kam 1951, als er für die Hauptrolle im Film „Mit einem Lied in meinem Herzen“ besetzt wurde. Anschließend spielte er in einer Reihe erfolgreicher Filme mit, darunter „Stars and Stripes Forever“ (1952), „The Band Wagon“ (1953), „The Eddie Cantor Story“ (1953) und „Deep in My Heart“ ( 1954).
Wagners Fernsehkarriere begann in den frühen 1950er Jahren, als er in Episoden von Shows wie „Lux Video Theatre“ und „The Colgate Comedy Hour“ auftrat. Er hatte seine eigene Fernsehserie „It's Always Jan“ (1955–1956) und spielte auch in den Sitcoms „The Bob Wagner Show“ (1957–1958) und „The Robert Wagner Show“ (1958–1959) mit.
In den 1960er Jahren trat Wagner weiterhin in Filmen und Fernsehsendungen auf. Er spielte in Filmen wie „Sink the Bismarck!“ mit. (1960), „The Longest Day“ (1962), „The Great Race“ (1965) und „Harper“ (1966). Er hatte auch eine wiederkehrende Rolle in der Fernsehserie „The Saint“ (1962–1969).
In den 1970er Jahren begann der Niedergang von Wagners Karriere. Er trat in weniger Filmen und Fernsehsendungen auf und musste oft Nebenrollen übernehmen. Allerdings spielte er in den erfolgreichen Miniserien „Masada“ (1981) und „Sins of the Father“ (1984) mit.
In den 1980er Jahren erlebte Wagners Karriere einen Aufschwung. Er spielte in den erfolgreichen Fernsehserien „Hart to Hart“ (1979–1984) und „Scarecrow and Mrs. King“ (1983–1987). Er trat auch in einer Reihe erfolgreicher Filme auf, darunter „Ice Station Zebra“ (1968), „The Towering Inferno“ (1974) und „The Pink Panther Strikes Again“ (1976).
In den 1990er Jahren trat Wagner weiterhin in Filmen und Fernsehsendungen auf. Er spielte in Filmen wie „Dragonfly“ (2002) und „Austin Powers in Goldmember“ (2002). Außerdem hatte er eine wiederkehrende Rolle in der Fernsehserie „Monk“ (2002–2009).
Wagners letzten Filmauftritt fand 2008 im Film „Die zweite Chance“ statt. Er starb am 18. März 2008 an einer Lungenentzündung.
Wagner war dreimal verheiratet. Von 1957 bis 1962 war er erstmals mit der Schauspielerin Natalie Wood verheiratet. Sie hatten eine gemeinsame Tochter, Natasha Gregson Wagner. Anschließend war er von 1963 bis 1970 mit der Schauspielerin Marion Marshall verheiratet. Sie hatten zwei gemeinsame Kinder, Katie Wagner und Joshua Wagner. Von 1990 bis zu seinem Tod im Jahr 2008 war er schließlich mit der Schauspielerin Jill St. John verheiratet.
Wagner war ein erfolgreicher Schauspieler mit einer Karriere, die sich über sechs Jahrzehnte erstreckte. Er spielte in über 100 Filmen und Fernsehsendungen mit und war in Hollywood eine beliebte Figur.