Robert Carlyle wuchs im Glasgower Stadtteil Maryhill auf. Als er vier Jahre alt war, verließ die Mutter die Familie. Er wurde von seinem Vater Joseph Carlyle aufgezogen. Im Alter von 21 Jahren entschloss er sich, Schauspielunterricht im Glasgow Arts Centre zu nehmen.
In Großbritannien wurde Carlyle einer breiteren Öffentlichkeit bekannt, als er 1993 in einer Folge der Fernsehserie Für alle Fälle Fitz (Cracker) einen Mörder mit großer schauspielerischer Intensität spielte. Der Journalist Tim Schleider schreibt in seiner Rezension über die Episode, in der Carlyle mitspielt: „Obwohl es sich um eine Mordszene handelt, die an Abscheulichkeit eigentlich nicht mehr zu überbieten ist, sitzt man dennoch wie gebannt vor dem Fernsehapparat. Robert Carlyle und Christopher Eccleston treiben die schauspielerische Kunst derart auf die Spitze, daß man sich die Szene wieder und wieder ansehen könnte – wie ein Gemälde an der Wand.“[1]
Nach den ersten erfolgreichen Auftritten in Fernsehproduktionen erhielt Carlyle viele Kinofilmrollen. In Trainspotting – Neue Helden spielte er die Rolle des Begbie. In Ganz oder gar nicht (The Full Monty) spielte er das Mitglied einer Gruppe arbeitsloser Männer, die sich ihren Lebensunterhalt als Stripteasegruppe verdienen wollen.
Anfang Februar 2009 übernahm Carlyle in der Serie Stargate Universe die Hauptrolle des Dr. Nicholas Rush.[2] Am 13. November 2010 gewann er den Gemini Award in Toronto in der Kategorie Best Performance by an Actor in a Continuing Leading Dramatic Role für diese Rolle in der Folge 14 Der genetische Code (Human) der ersten Staffel.
2002 hatte Carlyle im Musikvideo zu Little by Little der britischen Musikgruppe Oasis einen Auftritt.
Carlyle ist bekannt dafür, für die Glaubwürdigkeit seiner Figuren einiges auf sich zu nehmen und hierfür bisweilen sogar sein Äußeres und seinen Lebensalltag zu ändern. Um die Rolle des Gangsters in Antonia Birds Film Face glaubwürdig darstellen zu können, lebte er vor Drehbeginn einige Zeit im LondonerEast End, dem Handlungsort des Films. Für seine Rolle als Busfahrer im Film Carla’s Song von Ken Loach absolvierte er einen speziellen Lehrgang zum Personentransport im typischen Glasgower Leyland Atlantean Bus und erhielt seinen Personenbeförderungsschein (engl.: PSV Licence, Passenger Service Vehicle Licence).[3]
Seit 1997 ist Carlyle verheiratet. Mit seiner Frau hat er eine gemeinsame Tochter (* 2002) und zwei Söhne (* 2004 und 2006). Die Familie lebt in Schottland. Carlyle und Tommy Flanagan verbindet eine enge Freundschaft, Carlyle brachte Flanagan dazu, trotz einer Entstellung durch einen Überfall Schauspieler zu werden.