Rodil se je kot Robert John Wagner Jr. v Cincinnatiju v Ohiu. Njegova starša sta bila Robert John Wagner, starejši, trgovski popotnik za farmacevtsko podjetje, in Helen (née Hohman) Wagner, ki je bila uradnica v pekarni. Imel je mlajšo sestro Mary Wagner in mlajšega brata Williama Johna Wagnerja.
Wagnerjeva družina se je preselila v Los Angeles, ko je bil Bob star 12 let. Igrati je začel pri 16 letih, ko ga je med nastopom v srednješolski predstavi odkril iskalec talentov. Podpisal je pogodbo z agencijo William Morris in začel nastopati v manjših vlogah v filmih in televizijskih oddajah.
Wagnerjev veliki uspeh je prišel leta 1951, ko je dobil glavno vlogo v filmu "S pesmijo v srcu". Nato je zaigral v številnih uspešnih filmih, vključno z "Stars and Stripes Forever" (1952), "The Band Wagon" (1953), "The Eddie Cantor Story" (1953) in "Deep in My Heart" ( 1954).
Wagnerjeva televizijska kariera se je začela v zgodnjih petdesetih letih prejšnjega stoletja, ko je nastopal v epizodah oddaj, kot sta "Lux Video Theatre" in "The Colgate Comedy Hour". Imel je svojo televizijsko serijo "It's Always Jan" (1955–1956), igral pa je tudi v sitcomih "The Bob Wagner Show" (1957–1958) in "The Robert Wagner Show" (1958–1959).
V šestdesetih letih prejšnjega stoletja je Wagner še naprej nastopal v filmih in televizijskih oddajah. Igral je v filmih, kot je "Sink the Bismarck!" (1960), "The Longest Day" (1962), "The Great Race" (1965) in "Harper" (1966). Imel je tudi ponavljajočo se vlogo v televizijski seriji "The Saint" (1962–1969).
V sedemdesetih letih je Wagnerjeva kariera začela upadati. Nastopal je v manj filmih in televizijskih oddajah, pogosto pa je moral prevzeti tudi stranske vloge. Kljub temu je igral v uspešni miniseriji "Masada" (1981) in "Sins of the Father" (1984).
V osemdesetih letih se je Wagnerjeva kariera ponovno okrepila. Igral je v uspešni televizijski seriji "Hart to Hart" (1979–1984) in "Scarecrow and Mrs. King" (1983–1987). Nastopil je tudi v številnih uspešnih filmih, vključno z "Ice Station Zebra" (1968), "The Towering Inferno" (1974) in "The Pink Panther Strikes Again" (1976).
V devetdesetih letih je Wagner še naprej nastopal v filmih in televizijskih oddajah. Igral je v filmih, kot sta "Dragonfly" (2002) in "Austin Powers in Goldmember" (2002). Imel je tudi ponavljajočo se vlogo v televizijski seriji "Monk" (2002–2009).
Wagnerjev zadnji filmski nastop je bil leta 2008 v filmu "Druga priložnost". Umrl je zaradi pljučnice 18. marca 2008.
Wagner je bil trikrat poročen. Prvič je bil poročen z igralko Natalie Wood od leta 1957 do 1962. Skupaj sta imela eno hčerko, Natasho Gregson Wagner. Nato je bil od leta 1963 do 1970 poročen z igralko Marion Marshall. Skupaj sta imela dva otroka, Katie Wagner in Joshua Wagnerja. Končno je bil od leta 1990 do svoje smrti leta 2008 poročen z igralko Jill St. John.
Wagner je bil uspešen igralec s kariero, ki je trajala več kot šest desetletij. Igral je v več kot 100 filmih in televizijskih oddajah, v Hollywoodu pa je bil zelo priljubljen.