Роберт Карлайл родился в Мэрихилле, в одном из старинных районов Глазго, в семье шотландцев — Элизабет и Джозефа Карлайла. Мать оставила сына на воспитание отцу, художнику-декоратору, когда Роберту исполнилось три года. Джозеф зарабатывал от случая к случаю, и они с сыном жили на грани нищеты. Когда Роберту было около семи лет, отец вместе с ним присоединились к коммуне хиппи, которая не имела постоянного места проживания, предпочитая сквоттинг. Так, несколько лет они занимали заброшенный дом в Челси, а затем прожили 18 месяцев под пирсом на пляже Брайтона.
В 16 лет он бросил школу, чтобы помогать отцу оформлять витрины, работал чернорабочим и превратился в «трудного подростка». Но вовремя осознав, что скатывается в никуда, молодой человек начал посещать вечерние классы в Cardonald College.
До начала своей актёрской карьеры, по собственному признанию в Twitter, хотел стать футболистом.
Благодаря пьесам Артура Миллера Карлайл увлёкся театром, что привело его в 21 год в актёрскую студию при Центре искусств Глазго. Впоследствии он поступил в Королевскую шотландскую академию музыки и драматического искусства (англ. Royal Scottish Academy of Music and Drama), откуда ушёл в 1986 году, проучившись там только семестр и разочаровавшись в учёбе.
До начала 1990-х годов он преимущественно участвовал в различных театральных постановках. Вместе с четырьмя актёрами-друзьями основал театральную группу Raindog Theatre Company, которая выпустила в 1991 году свой первый спектакль — сценическую версию романа «Пролетая над гнездом кукушки». Первой заметной ролью в кино стал фильм «Рифф Рафф» британского режиссёра Кена Лоуча. Мировую известность ему принесли фильмы «На игле» (1996) и «Мужской стриптиз» (1997), за который Роберт получил премию BAFTA. Он также принял участие в «бондиане», снявшись в девятнадцатой картине цикла — «И целого мира мало» (1999).
Критики неоднократно отмечали универсальность актёрского мастерства Карлайла и разнообразие его ролей (от священника до каннибала). Он скрупулёзно изучает характер своих персонажей, добиваясь наибольшей реалистичности и образности: так, однажды он спал пять ночей на лондонских улицах вблизи вокзала «Ватерлоо», работая над ролью бездомного.
В перечне его значительных телевизионных работ — полицейский сериал «Хэмиш Макбет» (1995—1997, BBC), канадский мини-сериал «Гитлер: Восхождение дьявола» (2003, CBC Television), фантастические сериалы «Звёздные врата: Вселенная» (2009—2011, Syfy) и «Однажды в сказке» (2011—2012, ABC).
С 1997 года Роберт Карлайл женат на художнице Анастасии Ширли; у них трое детей: дочь — Ава (род. 2002), сыновья — Харви (род. 2004) и Перси Джозеф (род. 2006). Семья живёт в Глазго. Любимая футбольная команда — «Рейнджерс».
В начале января 2006 года скончался отец Роберта, с которым он был очень близок; актёр на время прекратил какую-либо публичную деятельность и ушёл из фильма «Настоящий север», в котором начал сниматься в главной роли (его заменил Питер Маллан).
BAFTA
BAFTA Scotland Award
Gemini Awards
London Critics Circle Film Awards
Royal Television Society Television Award
Sant Jordi Awards
Премия Гильдии киноактёров США
Орден Британской империи