Robert Vaughn est né à New York. Ses parents d'origine irlandaise et de confession catholique sont l'aspirante actrice Marcella Frances (née Gaudel) et Gerald Walter Vaughn, un comédien de série radio. Ses parents se séparent alors qu'il est encore jeune. Robert Vaughn part vivre avec sa mère à Minneapolis dans le Minnesota. Élève au lycée du Nord, il est diplômé en journalisme de l'université du Minnesota.
Il poursuit des études en arts et sciences appliquées en Californie, à Los Angeles. Il est titulaire d'un doctorat en communication de l'université de la Californie méridionale, auteur d'une thèse publiée en 1972, sur les victimes du blacklisting dans le show-biz.