Né à Whittier en Californie le {{date}}, Robert Charles Wilson est le cadet de trois enfants. Jusqu'en 1962, ce fils d'un salarié d'une société d’édition de cartes de vœux vit en Californie. À l'école, il se révèle un élève médiocre. Il émigre à 9 ans au Canada, dans la ville de Toronto.
En 2007, il est naturalisé canadien. Il vit actuellement à Concord, au nord de Toronto, avec son épouse Sharry. Il a deux fils, Paul et Devon.
Son premier récit publié, sous le pseudonyme Bob Chuck Wilson, s'appelle Equinocturne. Il est paru dans le magazine américain Analog en février 1975.
Il s'est fait réellement connaître en France depuis la parution de Darwinia en 1999. Plusieurs de ses œuvres ont reçu des récompenses littéraires, dont la plus prestigieuse dans le domaine de la science-fiction, le prix Hugo, pour son roman Spin en 2006. Ce livre est le début d'une trilogie, qui se poursuit avec Axis et Vortex, publié aux États-Unis en 2011.
Au sujet de ses œuvres, qui s'achèvent souvent de manière ouverte, il a déclaré : {{début citation}} Je n’aime pas beaucoup les livres qui proposent une fin définitive et bien emballée. Pour moi, ils ferment la porte à l’imagination, justement. L’histoire se termine, d’accord, mais la vie continue. {{fin citation}}
Cet écrivain ne doit pas être confondu avec l'auteur américain homonyme né en 1951 et auteur du roman La Marche des ours (The Crooked Tree) en 1980.