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Robert Wagner est né dans une famille aisée de Détroit dans le Michigan. Sa famille emménage à Los Angeles en Californie alors qu'il n'a que 7 ans. Aspirant à devenir acteur, il effectue plusieurs petits métiers liés à Hollywood, lui permettant notamment d'être caddie pour Clark Gable. Il est remarqué par Henry Willson, un découvreur de talent, qui lui fait faire ses débuts d'acteur dans le film Happy Years (1950). Après plusieurs rôles insignifiants, sa carrière démarre vraiment après sa performance dans le film With a Song in My Heart (1952) au côté de Susan Hayward. Il est alors embauché par les studios de la 20th Century Fox.
Il tient alors les premiers rôles dans plusieurs films comme Beneath the 12-Mile Reef (1953) ou Prince Vaillant (1954). Il se lie d'amitié à l'époque avec l'acteur Clifton Webb avec lequel il apparait 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 il avait lancé la carrière comme Rock Hudson et Tab Hunter.
Sa vie sentimentale est tumultueuse incluant Barbara Stanwyck, Joan Collins et Debbie Reynolds. En 1956, il se lie avec une jeune actrice de 18 ans, Natalie Wood, qu'il épouse à Scottsdale, Arizona le 28 décembre 1957 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 14 mois après son refus de tourner un film en Angleterre. Le couple connaît alors des problèmes financiers puis conjugaux. Ils divorcent le 27 avril 1962 alors que Natalie Wood entame une relation adultérine avec l'acteur Warren Beatty.
La carrière cinématographique de Wagner, bien que ralentie, n'est pas stoppée. Il participe au tournage du film Le Jour le plus long et revoit une vieille amie, l'actrice Marion Marshall, qu'il épouse le 22 juillet 1963. L'année suivante naît Katie Wagner. Le couple divorcera en 1970.
En 1968, Robert Wagner commence une seconde carrière à la télévision. Durant deux ans, il joue le rôle de Alexander Mundy, gentleman cambrioleur, dans la série Opération vol au côté de Fred Astaire. En 1972, il joue au côté de Bette Davis dans Madame Sin, le pilote d'une série qui ne voit finalement pas le jour.
Le 16 juin 1972, il se marie de nouveau avec Natalie Wood avec qui il a une fille, Courtney Brooke. Professionnellement sa carrière télévisuelle fonctionne à plein régime et le cinéma lui offre le rôle de Dan Biguelow dans La Tour infernale alors que, côté télévision, il est co-scénariste, 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 que "guest star". On le voit notamment dans les rues de San Francisco et aussi dans le rôle récurrent du Major Phil Carrington dans la série Colditz (1972-1974).
En 1975, 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, justicier milliardaire.
Le 29 novembre 1981, Natalie Wood se noie au large de Catalina Island après avoir passé la soirée sur le yacht familial aux côtés de Robert Wagner et de l'acteur Christopher Walken. Sa mort fait l'objet de rumeurs et de théories du complot impliquant Wagner et Walken. En 1984, il cesse tout contact avec sa belle-famille suite à l'autobiographie de sa belle-soeur, Lana Wood.
Le 26 mai 1990, Robert Wagner épouse l'actrice Jill St. John.
Il apparaît dans la série des films Austin Powers à partir de 1997 où il joue le n°2 du Dr. Evil.
En 2006, sa fille Katie lui donne un petit-fils nommé Riley Wagner-Lewis.
En 2007, il joue le rôle du président James Garfield dans le film Netherbeast Incorporated.
En septembre 2008, il publie son autobiographie intitulée Pieces of My Heart: A Life (chez Harper Entertainment), co-écrite avec le biographe Scott Eyman.
Robert Wagner apparaît également dans l'épisode des Simpson, Goo Goo Gai Pan (Episode 12 de la Saison 16).