Weder Wienes Geburtsort noch sein Geburtsdatum sind zweifelsfrei überliefert; vermutlich wurde er im Frühjahr 1873 in Breslau (heute Wrocław) geboren (nicht wie häufig angegeben 1881 in Dresden). Er war der Sohn von Pauline Loevy und des nachmaligen Königlich Sächsischen Hofschauspielers Karl Wiene (1852–1913). Sein jüngerer Bruder Konrad wurde ebenfalls Theaterschauspieler und Filmregisseur.
Nach einem überwiegend in Wien absolvierten Jurastudium (ab 1894) übernahm Robert Wiene 1908 und 1909 nacheinander die Leitung zweier kleiner Bühnen, um sich dann, zunächst als Drehbuchautor, dem neuen Medium Film zuzuwenden. Er war von Anfang an Vorstandsmitglied des 1922 gegründeten Filmbundes, einer Interessenvertretung der österreichischen Filmschaffenden.
Bekannt ist Robert Wiene vor allem als Regisseur des expressionistischen Klassikers Das Cabinet des Dr. Caligari (1919), wobei sein spezifischer Anteil an dem Film bis heute umstritten ist. Er drehte danach mit expressionistischem Dekor Genuine (1920) und vor allem die bemerkenswerte Dostojewski-Adaption Raskolnikow (1923). Nach Orlac’s Hände (1924) mit Conrad Veidt, dem letzten Film des Caligarismus, schuf er nur noch zweitklassige Filme. Neben zahlreichen leichten Unterhaltungsfilmen steht sein Name auch für eine Verfilmung der Richard-Strauss-Oper Der Rosenkavalier (1926) in Zusammenarbeit mit dem Komponisten und dem Librettisten Hugo von Hofmannsthal.
1934 musste Robert Wiene emigrieren und landete nach Zwischenstationen in Budapest und London in Paris. Der Versuch, den Caligari-Stoff zusammen mit Jean Cocteau als Tonfilm neu zu produzieren, scheiterte.
Robert Wiene starb am 17. Juli 1938 in Paris.