Robert Wise débute sa carrière cinématographique dans les années 30 comme monteur pour les studios RKO. Il officie sur Quasimodo (1939) Mon épouse favorite (1940), mais c'est en montant le Citizen Kane d'Orson Welles, en 1941, qu'il se fait véritablement remarquer, obtenant pour l'occasion une nomination à l'Oscar. Après avoir à nouveau été monteur pour Welles sur La Splendeur des Amberson, Robert Wise passe à la réalisation grâce à l'appui du producteur de films d'horreurs Val Lewton. En 1944, il met ainsi en scène La Malédiction des hommes-chats (la suite de La Féline).

De plus en plus influent au sein des studios RKO, Robert Wise se distingue en réalisant le western Ciel rouge (1948) et surtout le film-noir Nous avons gagné ce soir (1949). Dans les années 50, le cinéaste prouve sa capacité à aborder tous les genres avec une même aisance, de la science-fiction (Le Jour où la terre s'arrêta, 1951) au soap-opera (Mon grand, 1953), en passant par un drame de facture plus classique (La Tour des ambitieux, 1954). Très actif, il dirige un jeune Paul Newman dans Marqué par la haine, 1956), est nommé à l'Oscar du Meilleur réalisateur pour Je veux vivre ou revient au film-noir avec Le Coup de l'escalier.

La consécration intervient au début des années 60 lorsque Robert Wise, avec West Side Story, porte à l'écran une des plus célèbres comédies musicales de l'époque, aidé en cela par le chorégraphe Jerome Robbins. Le long-métrage, énorme succès public et critique, est couronné de onze Oscars. Après s'être illustré dans le cinéma d'épouvante en signant La Maison du diable, il effectue une nouvelle fois le prestigieux doublé Oscar du Meilleur réalisateur et du Meilleur film en 1965, avec La Mélodie du bonheur, une nouvelle comédie musicale à succès. Il s'illustre également dans le film de guerre avec La Canonnière du Yang-Tse (1966).

Dans les années 70, Robert Wise se fait plus discret mais démontre toujours une étonnante capacité à se diversifier, signant tout à la fois le personnel Brève rencontre à Paris (1973) et le film de science-fiction culte Star Trek: le film (1979). En 1989, il signe son ultime long-métrage, la comédie musicale Rooftops.