С 13 лет выступал с собственными танцевальными номерами на эстраде. Во время войны гастролировал в музыкальном шоу по военным базам Тихого Океана.
В начале 1950-х молодой исполнитель переезжает в Голливуд мечтая стать вторым Фредом Астером. Он начинает сниматься в музыкальных фильмах «Give A Girl A Break», «The Affairs of Dobie Gillis», «Kiss Me, Kate» и других. Тогда же он впервые пробует себя как хореограф и постановщик. Эти опыты привлекли внимание продюсеров из Нью-Йорка.
В 1954 году Фосс осуществляет свою первую постановку мюзикла на Бродвее «Пижамная игра». За ней следуют «Steam Heat», «Damn Yankees» и другие постановки, которые сделали Фосса звездой Бродвея и одним из самых востребованных постановщиков. Фосс разработал свой узнаваемый стиль и хореографическую манеру джазового танца, со своеобразной подчёркнутой сексуальностью.
C конца 1960-х начинается кинематографическая карьера Фосса. В 1969 году он ставит первый музыкальный фильм по мотивам своей постановки на Бродвее «Милая Чарити» («Sweet Charity»). В 1972 году он снимает получивший всемирную известность фильм «Кабаре» («Cabaret»). Другой значительной вехой в творчестве Фосса стала автобиографическая картина «Весь этот джаз» («All that Jazz»), которая была отмечена премией «Оскар» и Главным призом МКФ в Каннах.
Фосс скончался 23 сентября 1987 года от инфаркта миокарда во время пребывания в Вашингтоне и подготовке постановки мюзикла «Милая Чарити».
В 1951—1959 году Фосс был женат первым браком на танцовщице Мэри Энн Нилс. В 1960 году Боб Фосс женился на ведущей исполнительнице многих своих мюзиклов — Гвен Вердон. От второго брака у него родилась дочь Николь Фосс.