Robert Carlyle è uno scozzese nato a Maryhill, Glasgow,  dal padre Joseph e la madre Elisabeth che lo abbandonò quando aveva solo 4 anni. All'età di 21 anni, dopo aver letto "The Crucible"(Arthur Miller) si iscrive ad un corso di recitazione presso il Glasgow Arts Centre. Nel 1991, insieme ad altri quattro attori, fonda la compagnia teatrale Raindog (dal nome di Tom Waits 'album "Rain Dog", uno dei preferiti di Carlyle), una società dedicata al lavoro innovativo.
Carlyle ottiene fama mondiale grazie a successi come Trainspotting e Full Monty.
Dal 2009 al 2011 è uno dei protagonisti della serie televisiva Stargate Universe, e in seguito interpreta Tremotino\Mr Gold in Once Upon a Time, rivestendo un ruolo primario nella serie.

 

Nel 1997 Carlyle sposa Anastasia Shirley, da cui ha avuto tre figli.