Роберт Карлайл родился в Глазго, Шотландии. Прочитав «Тяжкое испытание» Артура Миллера, он записался на курсы актерского мастерства при Центре искусств Глазго.

После дебюта в роли Бига Уодси в “Беззвучный вскрик” (1990), Карлайл сыграл в нескольких фильмах, но лишь главная роль в телесериале «Хамиш Макбет» принесла ему любовь британской аудитории. В Америке он прославился благодаря роли Бегби в фильме «На игле» (1996). Вслед за этим он был удостоен премии BAFTA за роль Газа в «Мужском стриптизе» (1997).

После роли Планкетта в «Планкетте и Маклейне» и Кол Ивса в «Людоеде» (оба 1999) он сыграл злодея Ренарда в бондиане «И целого мира мало» (1999), а затем исполнил роль Мэлэхи в «Прахе Анджелы» и Даффи в «Пляже» (оба 1999).

В последнее время он снимался в «Есть только один Джимми Гримбл» (2000), «Последняя война», «51-й штат» (оба 2001), «Однажды в Мидлэндсе», «Черное и белое» (оба 2002), «Дохлая рыба» (2004), «Школа танцев и обольщения Мэрилин Хотчкисс» и «Всемогущий кельт» (оба 2005).

Недавно Карлайл сыграл Адольфа Гитлера в телефильме «Гитлер: Восхождение дьявола» (2003) и короля Джеймса 1 в «Заговоре против короны» (2004), а также Сергея Карповича в минисериале «Живой товар» (2005).

В 1991 г. с четырьмя другими актерами Роберт Карлайл основал театральную труппу Raindog, а также стал партнером Британской кинокомпании ‘4 Ways’. В новогоднем списке почестей 1999 г. Карлайлу было присвоено звание Офицера Британской империи.