Urodził się jako Robert John Wagner Jr. w Cincinnati w stanie Ohio. Jego rodzicami byli Robert John Wagner senior, podróżujący sprzedawca firmy farmaceutycznej i Helen (z domu Hohman) Wagner, która była urzędniczką w piekarni. Miał młodszą siostrę Mary Wagner i młodszego brata Williama Johna Wagnera.
Rodzina Wagnera przeniosła się do Los Angeles, gdy Bob miał 12 lat. Zaczął grać w wieku 16 lat, kiedy został odkryty przez łowcę talentów podczas występu w licealnym przedstawieniu. Podpisał kontrakt z William Morris Agency i zaczął pojawiać się w małych rolach w filmach i programach telewizyjnych.
Przełom w twórczości Wagnera nastąpił w 1951 roku, kiedy obsadzono go w głównej roli w filmie „Z piosenką w moim sercu”. Następnie zagrał w wielu odnoszących sukcesy filmach, w tym „Stars and Stripes Forever” (1952), „The Band Wagon” (1953), „The Eddie Cantor Story” (1953) i „Deep in My Heart” (1953). 1954).
Telewizyjna kariera Wagnera rozpoczęła się na początku lat pięćdziesiątych XX wieku występując w odcinkach takich przedstawień jak „Lux Video Theatre” i „The Colgate Comedy Hour”. Prowadził własny serial telewizyjny „It's Always Jan” (1955–1956), zagrał także w serialach komediowych „The Bob Wagner Show” (1957–1958) i „The Robert Wagner Show” (1958–1959).
W latach sześćdziesiątych Wagner nadal pojawiał się w filmach i programach telewizyjnych. Zagrał w takich filmach jak „Zatop Bismarcka!” (1960), „Najdłuższy dzień” (1962), „Wielki wyścig” (1965) i „Harfiarz” (1966). Miał także stałą rolę w serialu telewizyjnym „Święty” (1962–1969).
W latach 70. kariera Wagnera zaczęła podupadać. Występował w mniejszej liczbie filmów i programów telewizyjnych, często musiał przyjmować role drugoplanowe. Zagrał jednak w odnoszących sukcesy miniserialu „Masada” (1981) i „Grzechy ojca” (1984).
W latach 80. kariera Wagnera nabrała tempa. Zagrał w hitowych serialach telewizyjnych „Hart to Hart” (1979–1984) oraz „Strach na wróble i pani King” (1983–1987). Zagrał także w wielu udanych filmach, w tym w „Zebra na stacji lodowej” (1968), „Piekło w wieży” (1974) i „Różowa Pantera znowu kontratakuje” (1976).
W latach 90. Wagner nadal pojawiał się w filmach i programach telewizyjnych. Zagrał w takich filmach jak „Ważka” (2002) i „Austin Powers w Złotym Członku” (2002). Miał także stałą rolę w serialu telewizyjnym „Monk” (2002–2009).
Ostatni występ filmowy Wagnera miał miejsce w filmie „Druga szansa” z 2008 roku. Zmarł na zapalenie płuc 18 marca 2008 roku.
Wagner był trzykrotnie żonaty. Po raz pierwszy ożenił się z aktorką Natalie Wood w latach 1957–1962. Mieli razem jedną córkę, Natashę Gregson Wagner. Następnie był żonaty z aktorką Marion Marshall od 1963 do 1970. Mieli razem dwójkę dzieci, Katie Wagner i Joshuę Wagnera. W końcu był żonaty z aktorką Jill St. John od 1990 r. aż do swojej śmierci w 2008 r.
Wagner był odnoszącym sukcesy aktorem, którego kariera trwała ponad sześć dekad. Zagrał w ponad 100 filmach i programach telewizyjnych i był ukochaną postacią w Hollywood.