Han blev født Robert John Wagner, Jr. i Cincinnati, Ohio. Hans forældre var Robert John Wagner, Sr., en rejsende sælger for et medicinalfirma, og Helen (født Hohman) Wagner, som var kontorist i et bageri. Han havde en yngre søster, Mary Wagner, og en yngre bror, William John Wagner.
Wagners familie flyttede til Los Angeles, da Bob var 12. Han begyndte at optræde i en alder af 16, da han blev opdaget af en talentspejder, mens han optrådte i et high school-skuespil. Han skrev under med William Morris Agency og begyndte at optræde i små roller i film og tv-shows.
Wagners store gennembrud kom i 1951, da han blev castet i hovedrollen i filmen "Med en sang i mit hjerte". Han fortsatte med at spille hovedrollen i en række succesrige film, herunder "Stars and Stripes Forever" (1952), "The Band Wagon" (1953), "The Eddie Cantor Story" (1953) og "Deep in My Heart" ( 1954).
Wagners tv-karriere begyndte i begyndelsen af 1950'erne, da han optrådte i episoder af shows som "Lux Video Theatre" og "The Colgate Comedy Hour". Han havde sin egen tv-serie, "It's Always Jan" (1955-1956), og han medvirkede også i sitcoms "The Bob Wagner Show" (1957-1958) og "The Robert Wagner Show" (1958-1959).
I 1960'erne fortsatte Wagner med at optræde i film og tv-shows. Han medvirkede i sådanne film som "Sink Bismarck!" (1960), "The Longest Day" (1962), "The Great Race" (1965) og "Harper" (1966). Han havde også en tilbagevendende rolle i tv-serien "The Saint" (1962–1969).
I 1970'erne begyndte Wagners karriere at falde. Han optrådte i færre film og tv-shows, og han måtte ofte påtage sig biroller. Han medvirkede dog i de succesrige miniserier "Masada" (1981) og "Sins of the Father" (1984).
I 1980'erne vendte Wagners karriere op igen. Han medvirkede i tv-serien "Hart to Hart" (1979-1984) og "Scarecrow and Mrs. King" (1983-1987). Han medvirkede også i en række succesrige film, herunder "Ice Station Zebra" (1968), "The Towering Inferno" (1974) og "The Pink Panther Strikes Again" (1976).
I 1990'erne fortsatte Wagner med at optræde i film og tv-shows. Han medvirkede i film som "Dragonfly" (2002) og "Austin Powers in Goldmember" (2002). Han havde også en tilbagevendende rolle i tv-serien "Monk" (2002-2009).
Wagners sidste filmoptræden var i 2008-filmen "The Second Chance". Han døde af lungebetændelse den 18. marts 2008.
Wagner var gift tre gange. Han var første gang gift med skuespillerinden Natalie Wood fra 1957 til 1962. De havde en datter sammen, Natasha Gregson Wagner. Han var derefter gift med skuespillerinden Marion Marshall fra 1963 til 1970. De fik to børn sammen, Katie Wagner og Joshua Wagner. Han blev endelig gift med skuespillerinden Jill St. John fra 1990 til sin død i 2008.
Wagner var en succesrig skuespiller med en karriere, der strakte sig over seks årtier. Han medvirkede i over 100 film og tv-shows, og han var en elsket figur i Hollywood.