Né de parents italiens ayant immigré aux Etats-Unis, Robert Blake (de son vrai nom Mickael James Vincenzo Gubitosi) passe une enfance difficile. Son père alcoolique (qui se suicide en 1947) le bat et abuse de lui sexuellement, tandis que sa mère ferme les yeux. A la fin des années 1930, les Gubitosi déménagent à Los Angeles et le petit Robert commence à travailler comme figurant dans des films.
Lorsqu'il a cinq ans, Robert Blake est choisi pour jouer dans une multitude de courts métrages rattachés à la franchise Les Petites Canailles, qui suit une bande d'enfants pauvres.
A 14 ans, il quitte le foyer familial et s'engage dans l'armée trois ans plus tard. Puis, il poursuit sa carrière et apparaît dans plusieurs longs métrages, comme Terre sans pardon (1957), Ville sans pitié (1961) ou Propriété interdite (1966).
Il faut toutefois attendre 1967 pour que Robert Blake trouve son premier rôle marquant, dans De sang-froid réalisé par Richard Brooks, première adaptation du roman culte de Truman Capote.
Le natif de Nutley y incarne l'un des deux criminels condamnés à mort pour avoir assassiné sauvagement une famille d'agriculteurs dans le Kansas. Une prestation qui ne passe pas inaperçue et qui révèle son talent.
Le comédien tient ensuite le rôle-titre du western Willie Boy en 1969 aux côtés de Robert Redford. Il y joue un indien pourchassé après avoir tué le père de sa compagne au cours d'un affrontement.
En 1975, Robert Blake gagne davantage en notoriété avec le personnage principal de la série policière à succès Baretta. Pendant trois ans et 82 épisodes, il se glisse dans la peau de cet inspecteur du New Jersey aux méthodes peu conventionnelles, qui vit avec son perroquet dans un hôtel délabré. Pour l'occasion, il reçoit l'Emmy et le Golden Globe du Meilleur acteur dans une série dramatique.
En 1981, Robert Blake joue le protagoniste de Coeurs d'occasion réalisé par l'atypique Hal Ashby. Le reste de la décennie, il apparaît dans plusieurs téléfilms. Mais le comédien semble avoir mis sa carrière de côté.
Dans les années 1990, on le voit uniquement dans Judgment Day: The John List Story (dans la peau du célèbre criminel ayant inspiré le Keyser Söze d'Usual Suspects), Money Train et Lost Highway, qui est son dernier long métrage.
En 1999, il rencontre sa deuxième femme, Bonnie Lee Bakley, une arnaqueuse connue des services de police, dont l'activité principale consiste à soutirer de l'argent à des personnes âgées et seules. Deux ans plus tard, elle est abattue d'un coup de feu après avoir mangé au restaurant avec Robert Blake, qui est alors accusé du meurtre.
Après un an de prison, il est libéré puis, en 2005, finalement acquitté au pénal. Au civil cependant, l'acteur a été reconnu responsable du meurtre de sa femme et condamné à verser à la famille de la victime la somme de 15 millions dollars.
On ne le reverra jamais à l'écran, et il décède le 9 mars à 89 ans.