Carlyle est né dans le quartier pauvre de Maryhill à Glasgow. Il est le fils d'Elizabeth, employée de compagnie de bus, et de Joseph Carlyle, peintre décorateur dans le bâtiment1,2. Alors âgé de 4 ans, sa mère l'abandonne lui et son père. Il a été élevé seul par ce dernier 3,4. Ensemble, ils vécurent une vie de bohème, allant de squats en squats. Il quitta l'école à 16 ans sans aucun diplôme ni aucune qualification. Il enchaina les petits boulots et travailla sur les chantiers de son père comme peintre et décorateur. Cependant, il continua son éducation en suivant des cours du soir au Cardonald College à Glasgow
Après avoir été captivé par la lecture de la pièce d'Arthur Miller, Les Sorcières de Salem (titre original anglais The Crucible6) qu'il reçoit en cadeau à 19 ans, Carlyle commence à s'intéresser au théâtre et rejoint une petite troupe associative à Glasgow. Puis la vie y devenant de plus en plus précaire, son père et lui décident de déménager à Londres où Carlyle intégra la Royal Scottish Academy of Music and Drama. En 1991, il fonde avec Alexander Morton la compagnie de théâtre Rain Dog Theatre Company (en), pour laquelle il a mis en scène des pièces telles que Wasted, Vol au-dessus d'un nid de coucou, Conquest of the South Pole et Macbeth.

Robert Carlyle fait ses débuts au cinéma en 1990 dans Silent Scream de David Haymansous, mais c'est dans Riff Raff, sous la direction de Ken Loach, qu'il obtient pour la première fois un premier rôle consistant. Carlyle y incarne Stevie, un jeune Écossais sans le sou, tout juste sorti de prison qui trouve un emploi d'ouvrier au noir dans l'Angleterre des années Thatcher. Ken Loach, pour qui l’authenticité dans ses films est primordiale, explique la raison pour laquelle il a choisi Robert Carlyle. Le réalisateur, à la recherche d'un jeune talent, décide de donner sa chance au jeune Carlyle, car celui-ci semble très prometteur, mais aussi et surtout, parce qu'il possédait de surcroit une véritable expérience en tant