Criado por su padre, Robert Carlyle abandonó la escuela a los 16 años. Tras leer 'Las brujas de Salem' de Arthur Miller, decide tomar clases de actuación que finalmente también abandona. Comenzó en el cine con la película dirigida por Ken Loach, 'Riff-Raff'. El actor, entonces combina drama y comedia: 'Un hombre perdido en el tiempo' o 'La canción de Carla'.

El papel que lo lanzó a la fama, fue el de Francis Begbie en 'Trainspotting' de Danny Boyle. Tras ella llegaría uno de los mayores éxitos de su carrera, la comedia 'Full Monty'. Robert Carlyle se lanzaría entonces a la conquista de Hollywood, aunque sin olvidar su trabajo en Gran Bretaña. Trabajó en la televisiva serie estadounidense '24', combinándolo con trabajos en su país como 'Las cenizas de Ángela' o 'El sueño de Jimmy Grimble', y también grandes producciones ('La playa', 'El mundo nunca es suficiente').

Desde entonces ha seguido trabajando regularmente en ambos continentes en distintos géneros: el cine fantástico ('Eragon'), el terror ('28 semanas después') o la comedia ('Un toque de seducción'). Ha vuelto a la televisión con 'Stargate: Universe' y 'Once Upon A Time'.