Il est né Robert John Wagner, Jr. à Cincinnati, Ohio. Ses parents étaient Robert John Wagner, Sr., vendeur ambulant pour une société pharmaceutique, et Helen (née Hohman) Wagner, qui était commis dans une boulangerie. Il avait une sœur cadette, Mary Wagner, et un frère cadet, William John Wagner.
La famille de Wagner a déménagé à Los Angeles quand Bob avait 12 ans. Il a commencé à jouer à l'âge de 16 ans, lorsqu'il a été découvert par un découvreur de talents alors qu'il jouait dans une pièce de théâtre au lycée. Il a signé avec l'agence William Morris et a commencé à apparaître dans de petits rôles dans des films et des émissions de télévision.
La grande percée de Wagner a eu lieu en 1951 lorsqu'il a joué le rôle principal dans le film "Avec une chanson dans mon coeur". Il a ensuite joué dans un certain nombre de films à succès, dont "Stars and Stripes Forever" (1952), "The Band Wagon" (1953), "The Eddie Cantor Story" (1953) et "Deep in My Heart" (1953). 1954).
La carrière télévisuelle de Wagner a commencé au début des années 1950, lorsqu'il est apparu dans des épisodes d'émissions telles que "Lux Video Theatre" et "The Colgate Comedy Hour". Il avait sa propre série télévisée, "It's Always Jan" (1955-1956), et il a également joué dans les sitcoms "The Bob Wagner Show" (1957-1958) et "The Robert Wagner Show" (1958-1959).
Dans les années 1960, Wagner continue d’apparaître dans des films et des émissions de télévision. Il a joué dans des films tels que "Coulez le Bismarck !" (1960), « Le jour le plus long » (1962), « La Grande Course » (1965) et « Harper » (1966). Il a également joué un rôle récurrent dans la série télévisée « The Saint » (1962-1969).
Dans les années 1970, la carrière de Wagner commence à décliner. Il est apparu dans moins de films et d’émissions de télévision et a souvent dû assumer des rôles de soutien. Cependant, il a joué dans les mini-séries à succès "Masada" (1981) et "Sins of the Father" (1984).
Dans les années 1980, la carrière de Wagner rebondit. Il a joué dans les séries télévisées à succès « Hart to Hart » (1979-1984) et « Scarecrow and Mrs. King » (1983-1987). Il est également apparu dans un certain nombre de films à succès, dont « Ice Station Zebra » (1968), « The Towering Inferno » (1974) et « The Pink Panther Strikes Again » (1976).
Dans les années 1990, Wagner continue d’apparaître dans des films et des émissions de télévision. Il a joué dans des films tels que "Dragonfly" (2002) et "Austin Powers in Goldmember" (2002). Il a également joué un rôle récurrent dans la série télévisée « Monk » (2002-2009).
La dernière performance cinématographique de Wagner était dans le film de 2008 "La Seconde Chance". Il est décédé d'une pneumonie le 18 mars 2008.
Wagner s'est marié trois fois. Il a d'abord été marié à l'actrice Natalie Wood de 1957 à 1962. Ils ont eu une fille ensemble, Natasha Gregson Wagner. Il fut ensuite marié à l'actrice Marion Marshall de 1963 à 1970. Ils eurent deux enfants ensemble, Katie Wagner et Joshua Wagner. Il a finalement été marié à l'actrice Jill St. John de 1990 jusqu'à sa mort en 2008.
Wagner était un acteur à succès dont la carrière a duré plus de six décennies. Il a joué dans plus de 100 films et émissions de télévision et était une figure appréciée d’Hollywood.