Hij werd geboren als Robert John Wagner, Jr. in Cincinnati, Ohio. Zijn ouders waren Robert John Wagner, Sr., een handelsreiziger voor een farmaceutisch bedrijf, en Helen (née Hohman) Wagner, die klerk was in een bakkerij. Hij had een jongere zus, Mary Wagner, en een jongere broer, William John Wagner.
Wagners familie verhuisde naar Los Angeles toen Bob 12 was. Hij begon met acteren op 16-jarige leeftijd, toen hij werd ontdekt door een talentscout tijdens een optreden in een toneelstuk op de middelbare school. Hij tekende bij de William Morris Agency en begon in kleine rollen te verschijnen in films en televisieshows.
Wagners grote doorbraak kwam in 1951 toen hij de hoofdrol kreeg in de film "With a Song in My Heart". Vervolgens speelde hij in een aantal succesvolle films, waaronder "Stars and Stripes Forever" (1952), "The Band Wagon" (1953), "The Eddie Cantor Story" (1953) en "Deep in My Heart" ( 1954).
Wagners televisiecarrière begon in het begin van de jaren vijftig, toen hij verscheen in afleveringen van shows als "Lux Video Theatre" en "The Colgate Comedy Hour". Hij had zijn eigen televisieserie, "It's Always Jan" (1955-1956), en hij speelde ook in de sitcoms "The Bob Wagner Show" (1957-1958) en "The Robert Wagner Show" (1958-1959).
In de jaren zestig bleef Wagner in films en televisieshows verschijnen. Hij speelde in films als "Sink the Bismarck!" (1960), "De langste dag" (1962), "The Great Race" (1965) en "Harper" (1966). Hij had ook een terugkerende rol in de televisieserie "The Saint" (1962-1969).
In de jaren zeventig begon Wagners carrière achteruit te gaan. Hij verscheen in minder films en televisieshows en moest vaak bijrollen op zich nemen. Hij speelde echter wel in de succesvolle miniseries "Masada" (1981) en "Sins of the Father" (1984).
In de jaren tachtig herstelde Wagners carrière zich. Hij speelde in de populaire televisieseries "Hart to Hart" (1979–1984) en "Scarecrow and Mrs. King" (1983–1987). Hij verscheen ook in een aantal succesvolle films, waaronder "Ice Station Zebra" (1968), "The Towering Inferno" (1974) en "The Pink Panther Strikes Again" (1976).
In de jaren negentig bleef Wagner in films en televisieshows verschijnen. Hij speelde in films als "Dragonfly" (2002) en "Austin Powers in Goldmember" (2002). Hij had ook een terugkerende rol in de televisieserie "Monk" (2002-2009).
Wagners laatste filmoptreden was in de film "The Second Chance" uit 2008. Hij stierf aan een longontsteking op 18 maart 2008.
Wagner trouwde drie keer. Hij was van 1957 tot 1962 voor het eerst getrouwd met actrice Natalie Wood. Ze kregen samen één dochter, Natasha Gregson Wagner. Vervolgens was hij van 1963 tot 1970 getrouwd met actrice Marion Marshall. Ze kregen samen twee kinderen, Katie Wagner en Joshua Wagner. Hij was uiteindelijk van 1990 tot aan zijn dood in 2008 getrouwd met actrice Jill St. John.
Wagner was een succesvolle acteur met een carrière die meer dan zes decennia besloeg. Hij speelde in meer dan 100 films en televisieshows, en hij was een geliefd figuur in Hollywood.