Elevé par son père avec qui il mène une existence bohème, Robert Carlyle quitte l'école à 16 ans. La lecture des Sorcières de Salem d'Arthur Miller le décide alors à suivre des cours de théâtre qu'il finit par abandonner pour gagne sa vie en jouant sur les planches ou les plateaux de télévision.

Il débute au cinéma sous la direction de Ken Loach dans Riff Raff (1990) où son rôle d'ouvrier de chantier lui attire de bonnes critiques et lui permet de recevoir plusieurs projets. Drames ou comédies, Robert Carlyle cumule les films à vocation sociale notamment chez Antonia Bird qu'il soit sans-abri (Safe, 1993) ou petit ami d'un prêtre gay (Priest, 1994). Mais c'est grâce au rôle déjanté de Begbie l'alcoolique dans Trainspotting (1996, Danny Boyle) que la scène internationale le remarque, même si le film révéle surtout un autre acteur écossais Ewan McGregor. Avec le succès unanime de The Full Monty (1997, Peter Cattaneo) Robert Carlyle se trouve à son tour projeté sur le devant de la scène et ne tarde pas à recevoir ses premières propositions américaines.

Robert Carlyle reste cependant tourné vers le cinéma britannique même si Hollywood tend à apparaître dans sa filmographie. Il partage l'affiche de Guns 1748 (1999, Jake Scott) avec Liv Tyler et la 20th Century Fox finance son quatrième film avec Antonia Bird, Vorace (1999). Il apparaît ensuite dans deux grosses productions hollywoodiennes : Le Monde ne suffit pas (1999) de Michael Apted et La Plage (2000) de son compatriote Danny Boyle. Il continue depuis à travailler sur les deux continents en variant régulièrement les genres : de la comédie d'action Le 51e Etat (2002) au film d'horreur 28 semaines plus tard (2007), en passant par l'héroïc-fantasy avec Eragon (2006).

A l'affiche de films peu connus à l'international (I Know You Know, The Tournament, California Solo), Robert Carlyle se dirige vers le petit écran et campe le personnage principal de la série de science-fiction Stargate: Universe de 2009 à 2011. Cette même année, sa notoriété augmente grâce à son rôle régulier du grand méchant Rumplestilskin dans la série Once Upon A Time qui dure jusqu'en 2017. L'acteur n'en oublie pas pour autant le cinéma et reprend son personnage culte de Francis Begbie dans T2 Trainspotting (2017) toujours réalisé par Boyle.