Hän syntyi Robert John Wagner, Jr. Cincinnatissa, Ohiossa. Hänen vanhempansa olivat Robert John Wagner, vanhempi, lääkeyhtiön matkustava myyjä, ja Helen (os Hohman) Wagner, joka oli virkailija leipomossa. Hänellä oli nuorempi sisar Mary Wagner ja nuorempi veli William John Wagner.
Wagnerin perhe muutti Los Angelesiin, kun Bob oli 12-vuotias. Hän aloitti näyttelemisen 16-vuotiaana, kun kykyjenetsijä löysi hänet esiintyessään lukion näytelmässä. Hän teki sopimuksen William Morris Agencyn kanssa ja alkoi esiintyä pienissä rooleissa elokuvissa ja televisio-ohjelmissa.
Wagnerin suuri murros tapahtui vuonna 1951, kun hänet valittiin päärooliin elokuvassa "Laulu sydämessäni". Hän näytteli useissa menestyneissä elokuvissa, mukaan lukien "Stars and Stripes Forever" (1952), "The Band Wagon" (1953), "The Eddie Cantor Story" (1953) ja "Deep in My Heart" ( 1954).
Wagnerin televisioura alkoi 1950-luvun alussa, kun hän esiintyi jaksoissa sellaisissa ohjelmissa kuin "Lux Video Theatre" ja "The Colgate Comedy Hour". Hänellä oli oma tv-sarjansa "It's Always Jan" (1955–1956), ja hän näytteli myös sitcomissa "The Bob Wagner Show" (1957-1958) ja "The Robert Wagner Show" (1958-1959).
1960-luvulla Wagner jatkoi esiintymistä elokuvissa ja televisio-ohjelmissa. Hän näytteli sellaisissa elokuvissa kuin "Sink the Bismarck!" (1960), "Pisin päivä" (1962), "The Great Race" (1965) ja "Harper" (1966). Hänellä oli myös toistuva rooli televisiosarjassa "The Saint" (1962–1969).
1970-luvulla Wagnerin ura alkoi laskea. Hän esiintyi harvemmissa elokuvissa ja televisio-ohjelmissa, ja hänen täytyi usein ottaa sivurooleja. Hän kuitenkin näytteli menestyneissä minisarjoissa "Masada" (1981) ja "Sins of the Father" (1984).
1980-luvulla Wagnerin ura elpyi. Hän näytteli menestyneissä televisiosarjoissa Hart to Hart (1979–1984) ja Scarecrow and Mrs. King (1983–1987). Hän esiintyi myös useissa menestyneissä elokuvissa, kuten "Ice Station Zebra" (1968), "The Towering Inferno" (1974) ja "The Pink Panther Strikes Again" (1976).
1990-luvulla Wagner jatkoi esiintymistä elokuvissa ja televisio-ohjelmissa. Hän näytteli sellaisissa elokuvissa kuin "Dragonfly" (2002) ja "Austin Powers in Goldmember" (2002). Hänellä oli myös toistuva rooli televisiosarjassa "Monk" (2002–2009).
Wagnerin viimeinen elokuvaesitys oli vuoden 2008 elokuvassa "The Second Chance". Hän kuoli keuhkokuumeeseen 18. maaliskuuta 2008.
Wagner oli naimisissa kolme kertaa. Hän oli ensimmäisen kerran naimisissa näyttelijä Natalie Woodin kanssa vuosina 1957–1962. Heillä oli yksi yhteinen tytär, Natasha Gregson Wagner. Hän oli sitten naimisissa näyttelijä Marion Marshallin kanssa vuosina 1963–1970. Heillä oli kaksi yhteistä lasta, Katie Wagner ja Joshua Wagner. Hän oli lopulta naimisissa näyttelijä Jill St. Johnin kanssa vuodesta 1990 hänen kuolemaansa vuonna 2008 saakka.
Wagner oli menestyvä näyttelijä, jonka ura kesti yli kuusi vuosikymmentä. Hän näytteli yli 100 elokuvassa ja televisio-ohjelmassa, ja hän oli rakastettu hahmo Hollywoodissa.