Robert Carlyle est né le 14 avril 1961 à Glasgow, en Ecosse.
Après une première expérience théâtrale, l'acteur écossais fait ses débuts devant la caméra en 1990, dans Riff Raff de Ken Loach. Il se spécialise vite dans les films d'auteur, et plus précisément les films à connotation sociale. Ainsi, il commencera en 1993 une longue collaboration avec la réalisatrice Antonia Bird, puisqu'à ce jour les deux artistes ont tourné 5 films ensemble (Safe, Prêtre, Face, Vorace, et The meat trade, actuellement en tournage). Cependant, la consécration viendra d'une autre collaboration, en 1996, avec le réalisateur Danny Boyle, tout d'abord au travers de l'énorme succès Trainspotting, qui verra émerger non seulement le réalisateur britannique, mais aussi les deux acteurs écossais Robert Carlyle et Ewan McGregor. Danny Boyle et Robert Carlyle de retrouveront 4 ans plus tard en Thaïlande, pour la plage, au coté de Leonardo DiCaprio et de l'actrice française Virginie Ledoyen. Entre ces deux films, l'acteur tournera deux de ses plus grands succès; tout d'abord the Full Monty en 1997, puis Le monde ne suffit pas en 1999.
Depuis, l'acteur n'a jamais arrêté de tourner, dans des films souvent moins prestigieux, ou en tout cas ayant connu un succès plus mitigé que ces précédents titres, mais toujours avec autant de talent de la part de l'acteur. On a ainsi pu le voir en 2003 pour la télévision dans le rôle d'Adolf Hitler, dans le téléfilm Hitler, la naissance du mal.