Carlyle è nato a Maryhill, Glasgow.[1] Sua madre, Elisabeth, lavorava come impiegata in una compagnia di autobus mentre suo padre, Joseph Carlyle, era un pittore e decoratore. L'abbandono da parte della madre, a soli 4 anni,[2] lascia Carlyle e suo padre in un periodo molto difficile, caratterizzato da serie ristrettezze economiche. I due si stabiliscono in alcune comuni, dove conducono una vita da hippy. A 16 anni abbandona gli studi per lavorare con il padre, ma successivamente riprende a frequentare corsi di inglese, storia e arte in una scuola serale. All'età di 21 anni, dopo aver letto The Crucible di Arthur Miller, si iscrive alla Royal Scottish Academy of Music and Drama, vincendo una borsa di studio. Inizia così a recitare nel Glasgow Arts Centre.
Il primo ad accorgersi del suo talento è Ken Loach, che nel 1991 lo vuole protagonista nel suo film di denuncia sociale Riff Raff. Nel 1991 Carlyle, assieme ad alcuni amici e alla sua ragazza di allora, l'attrice Caroline Paterson, fonda una compagnia teatrale, la Rain Dog, il cui nome è ispirato al titolo di un album del cantante Tom Waits. La Rain Dog Company è subito caratterizzata da un teatro basato sull'improvvisazione e sull'innovazione. Durante la prima metà del decennio appare in diverse serie tv britanniche e film di nicchia. Particolarmente apprezzato per le sue performance controverse, Carlyle ottiene fama mondiale grazie a successi come Trainspotting e Full Monty - Squattrinati organizzati.[3] Altro film che lo rende noto al pubblico è Il mondo non basta, in cui interpreta Renard, il nemico di 007; ha inoltre interpretato Adolf Hitler nel film per la televisioneIl giovane Hitler. Nel 2002 partecipa al videoclip della canzone "Little by Little" degli Oasis. Carlyle è inoltre il fondatore, insieme ad alcuni registi e registe, della compagnia di produzione cinematografica anglosassone 4 Ways.
Nel 1997 Carlyle ha sposato dopo tre anni di fidanzamento Anastasia Shirley,[4] truccatrice conosciuta sul set della serie Cracker dove recitava, da cui ha avuto tre figli: Ava (2002), Harvey (2004) e Pearce Joseph (2006).
Nelle versioni in italiano delle opere in cui ha recitato, Robert Carlyle è stato doppiato da:
Massimo Rossi in Go Now, La canzone di Carla, Plunkett & Macleane, Il mondo non basta, The Beach, Jimmy Grimble, 28 settimane dopo, Cobra - Unità anticrisi
Fabio Boccanera in Riff-Raff - Meglio perderli che trovarli, Full Monty - Squattrinati organizzati, Criminali per caso, Codice 51, 24: Redemption, The Full Monty - La serie
Stefano Benassi in L'insaziabile, Le ceneri di Angela, Il giovane Hitler, La guerra dei mondi
Pasquale Anselmo in Trainspotting, C'era una volta in Inghilterra, T2 Trainspotting
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