Той е роден като Робърт Джон Вагнер, младши в Синсинати, Охайо. Родителите му са Робърт Джон Вагнер, старши, пътуващ търговец за фармацевтична компания, и Хелън (по баща Хохман) Вагнер, която е служителка в пекарна. Той имаше по-малка сестра Мери Вагнер и по-малък брат Уилям Джон Вагнер.
Семейството на Вагнер се премества в Лос Анджелис, когато Боб е на 12. Той започва да играе на 16-годишна възраст, когато е открит от търсач на таланти, докато играе в гимназиална пиеса. Той подписва с агенция William Morris и започва да се появява в малки роли във филми и телевизионни предавания.
Големият пробив на Вагнер идва през 1951 г., когато е избран за главната роля във филма "С песен в сърцето ми". Той продължи да участва в редица успешни филми, включително "Stars and Stripes Forever" (1952), "The Band Wagon" (1953), "The Eddie Cantor Story" (1953) и "Deep in My Heart" ( 1954).
Телевизионната кариера на Вагнер започва в началото на 50-те години, когато той се появява в епизоди на шоута като "Lux Video Theatre" и "The Colgate Comedy Hour". Той има собствен телевизионен сериал „Винаги е Ян“ (1955–1956), а също така участва в сериалите „Шоуто на Боб Вагнер“ (1957–1958) и „Шоуто на Робърт Вагнер“ (1958–1959).
През 60-те години Вагнер продължава да се появява във филми и телевизионни предавания. Той участва във филми като "Потопете Бисмарк!" (1960), "The Longest Day" (1962), "The Great Race" (1965) и "Harper" (1966). Той също имаше повтаряща се роля в телевизионния сериал „Светецът“ (1962–1969).
През 70-те години кариерата на Вагнер започва да залязва. Той се появява в по-малко филми и телевизионни предавания и често трябва да играе поддържащи роли. Въпреки това той участва в успешните минисериали "Masada" (1981) и "Sins of the Father" (1984).
През 80-те години кариерата на Вагнер се възстановява. Той участва в хитовия телевизионен сериал „Hart to Hart“ (1979–1984) и „Scarecrow and Mrs. King“ (1983–1987). Той също се появява в редица успешни филми, включително "Ice Station Zebra" (1968), "The Towering Inferno" (1974) и "The Pink Panther Strikes Again" (1976).
През 90-те години Вагнер продължава да се появява във филми и телевизионни предавания. Той участва във филми като "Водно конче" (2002) и "Остин Пауърс в Goldmember" (2002). Той също имаше повтаряща се роля в телевизионния сериал „Монк“ (2002–2009).
Последното филмово представяне на Вагнер беше във филма от 2008 г. „Вторият шанс“. Умира от пневмония на 18 март 2008 г.
Вагнер е женен три пъти. Той беше женен за актрисата Натали Ууд от 1957 до 1962 г. Те имаха една дъщеря заедно, Наташа Грегсън Вагнер. След това е женен за актрисата Марион Маршал от 1963 до 1970 г. Те имат две деца заедно, Кейти Вагнер и Джошуа Вагнер. Той най-накрая беше женен за актрисата Джил Сейнт Джон от 1990 г. до смъртта си през 2008 г.
Вагнер беше успешен актьор с кариера, продължила над шест десетилетия. Той участва в над 100 филма и телевизионни предавания и беше обичана фигура в Холивуд.