Nato appena fuori Parigi, studiò pittura con suo padre Joseph-Nicolas Robert-Fleury e poi sotto la guida di Hippolyte Delaroche e Léon Cogniet.
Al Salon del 1866 espose la sua prima opera: Il massacro di Varsavia dell'8 aprile 1861. L'anno seguente i suoi dipinti Vecchie signore a Piazza Navona e L'ultimo giorno di Corinto furono acquistati dal museo del Lussemburgo. Sempre per il museo del Lussemburgo dipinse un soffitto rappresentante La glorificazione della scultura francese.
Tony Robert-Fleury divenne in seguito presidente della Société des artistes français, succedendo a William-Adolphe Bouguereau, a fianco del quale insegnò all'Académie Julian, dove ambeue erano professori titolari.