Robert Wiene wurde am 27. April 1873 als Sohn von Pauline Loevy und Carl Wiene, der später Königlich Sächsischer Hofschauspieler werden sollte, in Breslau geboren. Manche Quelle geben als Geburtsdatum fälschlicherweise den 16. November 1880 und als Geburtsort Dresden an. Man geht davon aus, dass Wiene in Stuttgart und Dresden aufwuchs, bevor er zwischen 1894 und 1896 zunächst in Berlin, später an der Hohen Juridischen Fakultät der Universität Wien ein Jurastudium aufnahm. Über Wienes weiteren Ausbildungsverlauf ist wenig bekannt. Es heißt, er habe eine Promotion zum Dr. phil. erworben und anschließend eine Weile als Jurist gearbeitet.

Zwischen dem Frühjahr 1908 und 1909 war Wiene kurzzeitig im Theatergeschäft tätig. So hatte er zunächst die Leitung des Kleinen Schauspielhauses in Wien inne, nach dessen Schließung im Sommer 1908 gehörte er zu den Mitgründern der Neuen Wiener Bühne, die er im Mai 1909 verließ. Drei Jahre später begann Wienes Filmkarriere. Er betätigte sich als Drehbuchautor und Regisseur; sein erster Film für die Berliner Komet-Film war "Die Waffen der Jugend" (1912), für den er die Vorlage verfasste und den er wahrscheinlich auch inszenierte. Zwischen 1914 und 1915 arbeitete Robert Wiene, oft gemeinsam mit Autor Walter Turszinsky, für unterschiedliche Produktionsfirmen – darunter die Deutsche Bioscop und die Projektions-AG "Union" (PAGU).

Ab 1916 schrieb und inszenierte er praktisch exklusiv für die Messter-Film GmbH, wobei er Teil eines häufig zusammenarbeitenden "Teams" – bestehend aus Regisseur Rudolf Biebrach, Kameramann Karl Freund, Hauptdarstellerin Henny Porten, Filmarchitekt Ludwig Kainer und Komponist Giuseppe Becce – war. Bis 1919 wirkte er an achtzehn Produktionen mit Henny Porten mit, gelegentlich, wie im Falle von "Das wandernde Licht" (1916), "Die Räuberbraut" (1916) und "Der Liebesbrief der Königin" (1917), nahm er auch auf dem Regiestuhl Platz.

Der große Durchbruch gelang Robert Wiene mit der Inszenierung des Films "Das Cabinet des Dr. Caligari" für Erich Pommers Decla-Film, der zwischen Dezember 1919 und Januar 1920 im Lixie-Atelier in Berlin-Weißensee entstand. Der von Wahn und Beherrschung erzählende Film mit den expressionistischen Bauten von Hermann Warm, Walter Reimann und Walter Röhrig sowie den Hauptdarstellern Conrad Veidt und Werner Krauß entwickelte sich nach einer umfangreichen Werbekampagne ("Du mußt Caligari werden") zu einem phänomenalen, weltweiten Publikumserfolg und gilt heute als einer der großen Klassiker des Kinos der Weimarer Republik. Mit "Genuine" (1920) versucht Wiene mithilfe des "Caligari"-Autoren Carl Mayer und des Malers und Bühnenbildners César Klein stilistisch an den Erfolg anzuknüpfen, scheitert damit allerdings.

Im Jahr 1922 gründete Wiene die in Berlin ansässige Produktionsgesellschaft Lionardo-Film, mit welcher er unter anderem die Tragikomödie "Der Puppenmacher von Kiang-Ning" (1923) und "Raskolnikow" (1923), eine Adaption von Dostojewskis "Schuld und Sühne", realisierte. "Raskolnikow", mit Ensemblemitgliedern des Moskauer Künstlertheaters und ebenfalls im expressionistischen Stil – mit verkanteten Dekors und kontrastreicher Lichtführung – gedreht, sollte bereits die letzte Produktion von Wienes Gesellschaft sein. Noch im gleichen Jahr schlug er mit "I.N.R.I." vollkommen andere Wege ein, indem er einen Monumentalfilm über den Lebens- und Leidensweg Jesu Christi inszenierte, der stilistisch an eine "bewegte Gemäldegalerie" erinnern sollte. Vor der Kamera versammelte er dafür die Stummfilm-Stars Henny Porten, Asta Nielsen und Werner Krauß (Porten und Nielsen sind hier das einzige Mal gemeinsam in einem Film zu sehen).

1924 zog es Wiene zurück nach Österreich. In Wien übernahm er mit Drehbuchautor Ludwig Nerz (der unter dem Künstlernamen Louis Nerz firmierte) die Künstlerische Oberleitung der Pan-Film AG. Er drehte den nach der phantastischen Novelle von Maurice Renard realisierten Schauerkrimi "Orlacs Hände" (1924), in welchem Conrad Veidt als Pianist, dem nach einem Unfall die Hände eines Mörders transplantiert werden, brilliert. Zu weiteren Filmen dieser Zeit gehörten "Der Gardeoffizier" und der pompös inszenierte Opernfilm "Der Rosenkavalier" (beide 1925). Zwar zerstritt sich Wiene beim Dreh mit dem Librettisten der zugrunde liegenden Oper, Hugo von Hofmannsthal, indem er auf Geheiß des Studios dessen Vorstellung einer dem Opernstoff vorausgehenden Vorgeschichte verwarf, dafür autorisierte der Komponist Richard Strauss persönlich die Kino-Musik und stand bei der Uraufführung in der Staatsoper in Dresden als Dirigent auf dem Podest.

Von 1926 an arbeitete Wiene wieder für verschiedene Produktionsfirmen in Berlin. Er drehte unter anderem die Romanze "Die Geliebte" (1927) für Paneuropa-Film, das Lustspiel "Unfug der Liebe" (1928) für die Max-Glass-Produktion und für Felsom-Film "Die große Abenteurerin" und "Die Frau auf der Folter" (beide 1928), beide mit Lily Damita in der Hauptrolle. 1930 entstand Wienes erste Tonfilmarbeit, "Der Andere", nach einem Bühnenstück von Paul Lindau. Fritz Kortner spielt hier einen an Persönlichkeitsspaltung leidenden Staatsanwalt, der in einer psychologisierten Variante des Jekyll-&-Hyde-Motivs tagsüber das Verbrechen bekämpft, nur um sich nachts selbst in eben diesem Milieu zu bewegen.

Mit dem Aufkommen des Nationalsozialismus ging Robert Wienes Karriere aufgrund seiner jüdischen Herkunft zu Ende. Sein Spionagefilm "Taifun" (1933) musste stark geschnitten werden, bevor er von der Zensurbehörde freigegeben wurde. Im Anschluss an den im Frühjahr 1934 in Budapest gedrehten Film "Eine Nacht in Venedig", entschied sich Wiene, ins Exil zu gehen, um einer Verfolgung zu entkommen. Über einen Zwischenaufenthalt in London reiste er nach Paris, wo er sich zusammen mit Jean Cocteau erfolglos um ein Tonfilm-Remake von "Das Cabinet des Dr. Caligari" bemühte. Es sollte bis 1938 dauern, bis er für die Spionagegeschichte "Ultimatum" (1939) wieder auf dem Regiestuhl saß. Am 17. Juli 1938, kurz vor dem Ende der Dreharbeiten (die danach von Robert Siodmak fertiggestellt wurden), starb Robert Wiene 65-jährig in Paris.