Az Ohio állambeli Cincinnatiben született Robert John Wagner, Jr. Szülei Robert John Wagner, Sr., egy gyógyszeripari cég utazó eladója és Helen (született Hohman) Wagner voltak, aki egy pékségben dolgozott. Volt egy húga, Mary Wagner és egy öccse, William John Wagner.
Wagner családja Los Angelesbe költözött, amikor Bob 12 éves volt. 16 évesen kezdett színészkedni, amikor egy tehetségkutató felfedezte egy középiskolai darabban. Szerződést írt alá a William Morris Ügynökséggel, és kis szerepekben kezdett szerepelni filmekben és televíziós műsorokban.
Wagner nagy áttörése 1951-ben következett be, amikor a „Dal a szívemben” című filmben megkapta a főszerepet. Számos sikeres filmben szerepelt, többek között a "Stars and Stripes Forever" (1952), a "The Band Wagon" (1953), az "The Eddie Cantor Story" (1953) és a "Deep in My Heart" című filmekben. 1954).
Wagner televíziós karrierje az 1950-es évek elején kezdődött, amikor olyan műsorok epizódjaiban szerepelt, mint a "Lux Video Theatre" és a "The Colgate Comedy Hour". Volt saját televíziós sorozata, az „It's Always Jan” (1955–1956), és szerepelt a „The Bob Wagner Show” (1957–1958) és a „The Robert Wagner Show” (1958–1959) című sitcomokban is.
Az 1960-as években Wagner továbbra is szerepelt filmekben és televíziós műsorokban. Olyan filmekben szerepelt, mint a "Sink the Bismarck!" (1960), "A leghosszabb nap" (1962), "The Great Race" (1965) és "Harper" (1966). A "The Saint" című televíziós sorozatban (1962–1969) is visszatérő szerepet kapott.
Az 1970-es években Wagner karrierje hanyatlásnak indult. Kevesebb filmben és televíziós műsorban szerepelt, és gyakran kellett mellékszerepeket is elvállalnia. Szerepelt azonban a sikeres minisorozatokban, a "Masada" (1981) és a "Sins of the Father" (1984).
Az 1980-as években Wagner karrierje fellendült. Szerepelt a "Hart to Hart" (1979–1984) és a „Scarecrow and Mrs. King” (1983–1987) sikersorozatban. Számos sikeres filmben is szerepelt, többek között az Ice Station Zebra (1968), a The Towering Inferno (1974) és a „The Pink Panther Strikes Again” (1976) című filmekben.
Az 1990-es években Wagner továbbra is szerepelt filmekben és televíziós műsorokban. Olyan filmekben játszott, mint a "Dragonfly" (2002) és az "Austin Powers in Goldmember" (2002). A "Monk" című televíziós sorozatban (2002–2009) is visszatérő szerepet kapott.
Wagner utolsó filmes szereplése a 2008-as "The Second Chance" című filmben volt. 2008. március 18-án halt meg tüdőgyulladásban.
Wagner háromszor nősült. 1957 és 1962 között először házasodott össze Natalie Wood színésznővel. Egy lányuk született, Natasha Gregson Wagner. 1963 és 1970 között Marion Marshall színésznő volt házas. Két közös gyermekük született, Katie Wagner és Joshua Wagner. Végül 1990-től 2008-ban bekövetkezett haláláig házasodott össze Jill St. John színésznővel.
Wagner sikeres színész volt, több mint hat évtizedes karrierjével. Több mint 100 filmben és televíziós műsorban szerepelt, és szeretett figura volt Hollywoodban.