Taylor war der Sohn eines Landarztes. Er hatte den Wunsch, Musik zu studieren, und schrieb sich zunächst an der Doane University als Musikstudent ein, folgte dann jedoch seinem Cellolehrer an das Pomona College. Dort spielte er in der örtlichen Theatergruppe im Rollenfach des Jungen Helden. Die Talentsucher von MGM wurden auf ihn aufmerksam und brachten ihn an der studioeigenen Schauspielschule unter.
Im Jahr 1934 erhielt er einen Siebenjahresvertrag mit 35 Dollar in der Woche und hatte im selben Jahr sein Filmdebüt in A Wicked Woman. Taylor blieb über 24 Jahre bei MGM unter Vertrag und damit länger bei einem einzelnen Studio als jeder andere Filmstar. Seine erste große Rolle spielte Taylor 1935 in Ein Arzt für alle Fälle. Im selben Jahr wirkte er neben Irene Dunne in dem Melodram Magnificent Obsession mit, das für seine Karriere so bedeutsam war wie später die Neuverfilmung von 1954 für Rock Hudson. Sein rasanter Aufstieg zum Topstar war im folgenden Jahr so spektakulär, dass die Londoner Zeitung The Observer in ihrem Jahresrückblick schrieb: „1936 wird als das Jahr des Spanischen Bürgerkrieges, der Abdankung des englischen Königs und von Robert Taylor in Erinnerung bleiben.“
Taylor verdankte seine Popularität in diesem Jahr Auftritten neben Loretta Young (Frauenehre), Janet Gaynor (Kleinstadtmädel), Barbara Stanwyck (Zwischen Haß und Liebe), Joan Crawford (The Gorgeous Hussy) und besonders Greta Garbo, an deren Seite er in der Dumas-Verfilmung Die Kameliendame die Rolle des Armand Duval spielte. Taylor galt neben Tyrone Power als der schönste Schauspieler seiner Zeit und wurde von den Kritikern deswegen oft herabgesetzt. Das Studio versuchte daher, Taylor regelmäßig auch in bodenständigeren Rollen einzusetzen. Er drehte in der Folge auch viele Abenteuerfilme und Western.[1] Seine überwiegend weiblichen Fans mochten ihn jedoch am liebsten als Helden romantischer Komödien und dramatischer Liebesgeschichten. Gute Darstellungen lieferte er unter anderem als Gangster in Der Tote lebt sowie in Ihr erster Mann mit Vivien Leigh, seinem persönlichen Lieblingsfilm.
Während des Krieges war er als Leutnant bei der US Navy im Einsatz. In dieser Funktion unterrichtete er angehende Piloten und drehte 17 US-Navy-Trainingsfilme als Regisseur, die sich hauptsächlich mit der Fliegerei beschäftigten. In dem oscarprämierten Dokumentarfilm The Fighting Lady fungierte er als Sprecher. Nach dem Krieg konnte der Schauspieler zunächst nicht an seine bisherige Popularität anknüpfen. Erst Auftritte in aufwändig produzierten Historienfilmen wie Quo Vadis?, Ivanhoe, Die Ritter der Tafelrunde und Liebe, Tod und Teufel verhalfen ihm zu neuen Erfolgen. Daneben wirkte er in vielen Western mit, darunter Fluch des Blutes, der ihn als Indianer präsentierte, der gegen Rassenhass und Verbrechen ankämpfen muss. Karawane der Frauen erzählt die dramatischen Ereignisse um eine Gruppe Frauen, die unter der Führung von Taylor viele Gefahren auf dem Weg nach Westen überwinden müssen.
Nach dem Ende seines Vertrages bei MGM begann die Qualität seiner Kinofilme zu sinken, sodass er seine eigene Produktionsfirma gründete, die Robert Taylor Productions, und übernahm daraufhin zwischen 1959 und 1962 in der von ihm produzierten Fernsehserie Kein Fall für FBI die Hauptrolle. Seine Filme in den 1960er-Jahren waren überwiegend Western von schwankender Qualität, doch blieb Taylor bis zu seinem Tod als Hauptdarsteller beim Film gefragt.
Von 1939 bis 1951 war Taylor in erster Ehe mit Barbara Stanwyck verheiratet; die Ehe blieb kinderlos. 1954 heiratete er Ursula Thiess, das Paar hatte zwei gemeinsame Kinder.