Robert Carlyle 1961. április 14-én született Glasgow-ban, Skóciában. Édesanyja, Elizabeth egy autóbusz vállalat alkalmazottja, édesapja festő és dekoratőr volt. Miután négyéves korában anyja elhagyta a családot, édesapja nevelte. Még csak tizenhat éves volt, amikor otthagyta az iskolát, és beállt apja mellé dolgozni. Huszonegy évesen olvasta el Arthur Miller The Crucible című művét, melyet követően beiratkozott a Glasgow Arts Centre-be, ahol színészet órákat hallgatott. 1991-ben négy másik társával megalapította a Raindog színtársulatot, mely Tom Waits azonos című albuma után kapta a nevét. A mozivásznon Ken Loach Riff-Raff című filmjével debütált.

A kilencvenes években pályája egyre meredekebben ívelt az olyan filmjeinek köszönhetően, mint a Priest, a Cracker, de három évadon keresztül játszott a BBC Hamish Macbeth című sorozatában.

Karrierjének mérföldkövét jelentette Gaz szerepe a kultikus Trainspotting című filmben, de emlékezetes alakítást nyújtott az Alul semmi-ben is, melyben egy amatőr sztrippercsapat vezetőjét játszotta. Teljesítményéért BAFTA-díjat kapott a legjobb férfi főszereplő kategóriájában. A Face és az Angyal a lépcsőn után 1999-ben megkapta A világ nem elég című James Bond-mozi nemezisének szerepét.

A 2000-es években feltűnt az Oasis Little By Little című videoklipjében, majd eljátszotta Adolf Hitlert a Hitler: A gonosz küldetése című minisorozatban. Ezt követően olyan filmekben láthatta őt a közönség, mint az Eragon, a 28 héttel később vagy a Bérgyilkosok viadala. 2008-ban visszatért a televíziós sorozatok világába, kipróbálta magát a Csillagkapu Univerzum-ban, melyben Dr. Rusht alakította, de Kiefer Sutherland mellett játszott a kultikus 24 című akciószériában is. 2011-től ő alakítja Mr. Goldot az Egyszer volt, hol nem volt című fantasy sorozatban.

Felesége a sminkes, Anastasia Shirley, akitől három gyermeke született, Ava, Harvey és Pearce Joseph. A család jelenleg is Carlyle szülővárosában, Glasgow-ban él.