Carlyle est né dans le quartier de Maryhill à Glasgow. Il est le fils d'Elizabeth, employée de compagnie de bus, et de Joseph Carlyle, peintre décorateur dans le bâtiment[2],[3]. Alors qu'il est âgé de 4 ans, sa mère les abandonne lui et son père. Il est élevé seul par ce dernier[4],[5]. Ensemble, ils vivent une vie de bohème, allant de squats en squats. Il quitte l'école à 16 ans sans aucun diplôme ni aucune qualification. Il enchaîne les petits boulots et travaille sur les chantiers de son père comme peintre et décorateur. Cependant, il continue son éducation en suivant des cours du soir au Cardonald College à Glasgow[6].
Robert Carlyle fait ses débuts au cinéma en 1990 dans Silent Scream de David Haymansous, mais c'est dans Riff Raff, sous la direction de Ken Loach, qu'il obtient pour la première fois un premier rôle consistant. Carlyle y incarne Stevie, un jeune Écossais sans le sou, tout juste sorti de prison qui trouve un emploi d'ouvrier au noir dans l'Angleterre des années Thatcher. Ken Loach, pour qui l’authenticité dans ses films est primordiale, explique la raison pour laquelle il a choisi Robert Carlyle. Le réalisateur, à la recherche d'un jeune talent, décide de donner sa chance au jeune Carlyle, car celui-ci semble très prometteur, mais aussi et surtout, parce qu'il possède de surcroît une véritable expérience en tant qu'ouvrier peintre-décorateur. Avec Ken Loach, Robert Carlyle trouve son mentor.
En 1994, il interprète l'amant homosexuel du Père Greg dans le film Prêtre d'Antonia Bird. Cette même année, sa performance, « d'une pure intensité », dans le rôle du meurtrier Albert « Albie » Kinsella dans un épisode de la série Cracker lui vaut les acclamations du public[8]. Peu de temps après cette apparition, il décroche le rôle d'un policier écossais des HighlandsHamish Macbeth dans la série du même nom diffusée, produite par la BBC écossaise. La série durera trois saisons de 1995 à 1997. Entretemps, il tournera de nouveau avec Ken Loach dans Carla's Song en 1996.
Mais c’est grâce à sa participation dans d’importants films britanniques de la fin des années 1990 qu’il acquiert une réputation mondiale. Notamment grâce à son rôle remarqué de Francis « Franco » Begbie dans Trainspotting, ou encore celui de Gaz, le leader d'un groupe de chippendale dans The Full Monty, pour lequel ce dernier gagne un BAFTA Award en tant que Meilleur acteur dans un rôle principal. Il a également joué avec Ray Winstone (qu'il retrouvera en 2000 dans Jimmy Grimble, dans le film d'Antonia BirdFace en 1997, puis interprète Malachy McCourt (le père désabusé de l'auteur Frank McCourt) dans Les Cendres d'Angela l'adaptation cinématographique du premier mémoire de McCourt. Il apparaît dès lors de plus en plus dans de grosses productions. En 1999, il rejoint le prestigieux casting du James Bond Le monde ne suffit pas, aux côtés de Sophie Marceau et Pierce Brosnan en y interprétant l'inquiétant Renard. Il se fait ensuite diriger dans La Plage par son ami Danny Boyle aux côtés de Leonardo DiCaprio, avant de retrouver pour la quatrième fois la réalisatrice Antonia Bird dans Vorace où il interprète un soldat cannibale.
Puis, en , il est choisi pour devenir l'acteur principal de la troisième série de la franchise Stargate, Stargate Universe, où il interprète le rôle du Docteur Nicholas Rush durant deux saisons de 2009 à 2010.
En 2009, dans un spot publicitaire de plus de 6 minutes pour la marque de whisky Johnnie Walker, intitulé « The man who walked around the world – A True Story », Robert Carlyle raconte en une seule et même prise la véritable histoire du Whisky Johnnie Walker (de la production familiale jusqu'à l’ascension "mondiale" de l'entreprise multinationale).
Depuis 2011, il connaît une véritable popularité grâce à la série Once Upon A Time où il fait une double interprétation du personnage de Rumpelstiltskin, personnage démoniaque intriguant dans un univers féerique, et de M. Gold, son alter ego dans le monde réel.
En 2019, il joue un John Lennon de 78 ans dans le film Yesterday de Danny Boyle, qui se passe dans une réalité alternative et qui raconte ce qui se serait passé si les Beatles n'avaient jamais existés.
Style de jeu
Affectionnant le genre dramatique, Carlyle est connu pour son engagement à vouloir rendre ses rôles authentiques. Il a de ce fait souvent modifié son mode de vie et son apparence physique afin de mieux comprendre un personnage. Avant de jouer un sans-abri dans le film d'Antonia BirdSafe, il est allé vivre l'expérience de la rue à Waterloo district de Londres, où le film a été tourné. Pour son rôle de chauffeur de bus dans le film de Ken LoachCarla's Song, il a passé la licence PSV (un permis de conduire pour le transport de passagers) à Glasgow auprès de la compagnie de bus Leyland Atlantean[9]. Pour son rôle d'entraîneur de foot et ancienne gloire du club de Manchester City dans Jimmy Grimble, il s'est longuement entretenu avec un joueur de football qui lui a prodigué les conseils nécessaires pour être le plus crédible possible.
Vie privée
Carlyle est marié à Anastasia Shirley, maquilleuse qu'il rencontre en 1996 pendant le tournage de la série Cracker[10]. Ensemble, ils ont eu trois enfants : Ava (née en 2002), Harvey (né en 2004), et Pearce Joseph[réf. nécessaire] (né en 2006)[11][source insuffisante]. La famille vit entre Vancouver et Glasgow.
L'acteur est le mécène de School For Life en Roumanie[12], association qui s'occupe de l’éducation des enfants et jeunes adultes ayant grandi dans des hôpitaux psychiatriques.
