À la télévision, il est notamment connu du grand public pour son rôle de Jonathan Hart dans la série télévisée Pour l'amour du risque (1979-1984) avec sa complice Stefanie Powers, et au cinéma dans la série des films Austin Powers à partir de 1997 où il joue le « numéro deux » du docteur Denfer (Mike Myers).
Robert John Wagner Jr. (surnommé « RJ » par ses intimes, en références à ses prénoms) naît dans une famille aisée de Détroit dans le Michigan. Sa famille emménage à Los Angeles en Californie en 1937.
Aspirant à devenir acteur, il effectue plusieurs petits métiers liés à Hollywood, lui permettant notamment d'être caddie au golf pour le légendaire acteur hollywoodien Clark Gable. Il est remarqué par Henry Willson, un découvreur de talent, qui lui fait faire ses débuts d'acteur dans le film Années de jeunesse (1950).
Après plusieurs rôles insignifiants, sa carrière démarre vraiment après sa performance dans le film Un refrain dans mon cœur (1952) aux côtés de Susan Hayward. Il est alors embauché par les studios de la 20th Century Fox.
Robert Wagner tient alors les premiers rôles dans plusieurs films, comme Tempête sous la mer (1953) ou Prince Vaillant (1954). Il se lie d'amitié à l'époque avec l'acteur Clifton Webb avec lequel il apparaît dans Stars and Stripes Forever (1952) et Titanic (1953). Il est alors nommé aux Oscars. Wagner rompt à cette époque ses relations avec Henry Willson, quand son homosexualité est révélée au grand jour, ainsi que celle de plusieurs des vedettes dont celui-ci avait lancé la carrière comme Rock Hudson et Tab Hunter.
Sa carrière cinématographique, bien que ralentie, n'est pas arrêtée. En 1962, il participe au tournage du film Le Jour le plus long.
En 1968, il commence une seconde carrière à la télévision. Durant deux ans, il joue le rôle d'Alexander Mundy, gentleman cambrioleur, dans la série Opération vol aux côtés de Fred Astaire. En 1972, il joue aux côtés de Bette Davis dans Madame Sin, le pilote d'une série qui ne voit finalement pas le jour.
Professionnellement, sa carrière télévisuelle fonctionne à plein régime et le cinéma lui offre le rôle de Dan Biguelow dans La Tour infernale. Côté télévision, il est coproducteur, avec Aaron Spelling, du pilote d'une nouvelle série intitulée Drôles de dames. Il participe durant toute la décennie 1970 à d'autres séries en tant qu'invité vedette (« guest-star »). On le voit notamment dans le téléfilm pilote Les Rues de San Francisco et aussi dans le rôle récurrent du major Phil Carrington dans la série Colditz (1972-1974).
De 1975 à 1978, il partage le premier rôle de la série Switch avec Eddie Albert. En 1979, il entame pour cinq ans, avec Stefanie Powers, la série Pour l'amour du risque où il tient le rôle principal de Jonathan Hart, le justicier milliardaire.
En 1956, il se lie avec une jeune actrice de 18 ans, Natalie Wood, qu'il épouse à Scottsdale, en Arizona le et avec qui il emménage à Beverly Hills. Mais la carrière cinématographique de Robert Wagner se ralentit. Il est concurrencé par un nouveau type d'acteur, aux traits plus virils, comme Marlon Brando et Paul Newman. De son côté, le contrat de Natalie Wood avec la Warner Bros. est suspendu pour quatorze mois à la suite de son refus de tourner un film en Angleterre. Le couple connaît alors des problèmes financiers puis conjugaux. Ils divorcent le alors que Natalie Wood surprend Robert Wagner au lit avec son majordome anglais, David Cavendish. La fin de leur mariage sera faussement attribuée à une relation adultère de Wood avec l'acteur Warren Beatty. Natalie Wood ne dément pas et couvre Robert Wagner.
Le , Robert Wagner épouse l'actrice Marion Marshall (en). L'année suivante naît Katie Wagner. Le couple divorce en 1970. Le , il épouse en secondes noces Natalie Wood avec qui il a une fille, Courtney Brooke, née le .
Le , Natalie Wood se noie au large de l'île Santa Catalina après avoir passé la soirée sur le yacht familial aux côtés de Robert Wagner et de l'acteur Christopher Walken. L’enquête conclura à une mort accidentelle. En , cette enquête sera brièvement rouverte, à la suite de l'apparition de nouveaux témoignages. Elle sera close début , sans que des éléments nouveaux soient vraiment portés au dossier. Il cesse tout contact avec sa belle-famille à la suite de l'autobiographie de sa belle-sœur, Lana Wood.
En , le site américain TMZ relance l'enquête autour de la mort de l'actrice et prétend que Robert Wagner est l'assassin de cette dernière, à la suite d'une violente dispute qui aurait mal tourné sous les yeux de Christopher Walken.
Le , la police américaine désigne Robert Wagner, 87 ans, comme « personne d’intérêt », un statut juridique qui peut précéder une désignation formelle comme suspect. Cette décision s'appuie sur de nouveaux témoignages dans l'affaire du décès. Le capitaine du bateau accuse Wagner d'avoir trop attendu avant d’appeler les secours[1].
Le romancier Marin Ledun revient sur la noyade de Natalie Wood, dans son ouvrage No More Natalie[2].
↑Épisode : 7x12 : Les liens du sang ; 8x07 : Broken Arrow ; 9x10 : Les pêchés du père ; 10x10 : L'Étrange Noël de M. DiNozzo ; 11x16 : Dimanche Interuptus ; 12x17 : Escroc, Mais pas trop ; 12x20 : Le Bon Samaritain ; 13x19 : Un doute raisonnable ; 13x24 : La Famille avant tout ; 14x14 : Non stop
↑Robert Wagner apparaît en tant que guest-star dans plusieurs épisodes de la série NCIS : Enquêtes spéciales, dans le rôle du père d'Anthony DiNozzo. En outre, Michael Weatherly, interprète de DiNozzo, joue le rôle de Robert Wagner dans le téléfilm Natalie Wood : Le Prix de la gloire, diffusé en 2004.