Rođen je kao Robert John Wagner, Jr. u Cincinnatiju, Ohio. Njegovi roditelji bili su Robert John Wagner, stariji, trgovački putnik za farmaceutsku tvrtku, i Helen (rođena Hohman) Wagner, koja je bila službenica u pekarnici. Imao je mlađu sestru Mary Wagner i mlađeg brata Williama Johna Wagnera.
Wagnerova obitelj preselila se u Los Angeles kada je Bob imao 12 godina. Počeo je glumiti sa 16 godina, kada ga je otkrio lovac na talente dok je nastupao u srednjoškolskoj predstavi. Potpisao je ugovor s agencijom William Morris i počeo se pojavljivati u malim ulogama u filmovima i televizijskim emisijama.
Wagnerov veliki uspjeh dogodio se 1951. kada je dobio glavnu ulogu u filmu "S pjesmom u srcu". Glumio je u brojnim uspješnim filmovima, uključujući "Stars and Stripes Forever" (1952.), "The Band Wagon" (1953.), "The Eddie Cantor Story" (1953.) i "Deep in My Heart" ( 1954).
Wagnerova televizijska karijera započela je ranih 1950-ih, kada se pojavljivao u epizodama emisija poput "Lux Video Theatre" i "The Colgate Comedy Hour". Imao je vlastitu televizijsku seriju "It's Always Jan" (1955.–1956.), a glumio je i u sitcomima "The Bob Wagner Show" (1957.–1958.) i "The Robert Wagner Show" (1958.–1959.).
U 1960-ima Wagner se nastavio pojavljivati u filmovima i televizijskim emisijama. Glumio je u filmovima poput "Sink the Bismarck!" (1960), "Najduži dan" (1962), "Velika utrka" (1965) i "Harper" (1966). Također je imao ponavljajuću ulogu u televizijskoj seriji "The Saint" (1962.–1969.).
U 1970-ima Wagnerova karijera počela je padati. Pojavljivao se u manje filmova i televizijskih emisija, a često je morao preuzimati i sporedne uloge. Ipak, glumio je u uspješnim mini serijama "Masada" (1981.) i "Grijesi oca" (1984.).
U 1980-ima Wagnerova karijera se oporavila. Glumio je u hit televizijskim serijama "Hart to Hart" (1979–1984) i "Scarecrow and Mrs. King" (1983–1987). Također se pojavio u nizu uspješnih filmova, uključujući "Ice Station Zebra" (1968.), "The Towering Inferno" (1974.) i "Pink Panther Strikes Again" (1976.).
U 1990-ima Wagner se nastavio pojavljivati u filmovima i televizijskim emisijama. Glumio je u filmovima poput "Dragonfly" (2002.) i "Austin Powers u Goldmemberu" (2002.). Također je imao ponavljajuću ulogu u televizijskoj seriji "Monk" (2002.–2009.).
Wagnerov posljednji filmski nastup bio je u filmu "Druga prilika" iz 2008. godine. Preminuo je od upale pluća 18. ožujka 2008. godine.
Wagner se ženio tri puta. Prvi put je bio u braku s glumicom Natalie Wood od 1957. do 1962. Zajedno su imali jednu kćer, Natashu Gregson Wagner. Zatim je bio u braku s glumicom Marion Marshall od 1963. do 1970. Zajedno su imali dvoje djece, Katie Wagner i Joshuu Wagnera. Napokon je bio u braku s glumicom Jill St. John od 1990. do svoje smrti 2008. godine.
Wagner je bio uspješan glumac s karijerom koja je trajala više od šest desetljeća. Glumio je u više od 100 filmova i televizijskih emisija, a bio je omiljena osoba u Hollywoodu.