D’origine anglaise, Robbie Kay passe une grande partie de sa vie à Prague, où sa famille emménage lorsqu’il est jeune. A l’âge de 11 ans, il obtient un premier rôle dans L’Illusioniste, mais est coupé au montage. Après des apparitions dans Hannibal Lecter : les origines du mal et Mon fils Jack, l’acteur en herbe est choisi pour jouer Jakob dans le drame historique Fugitive Pieces, et donne ainsi la réplique à Rosamund Pike et Nina Dobrev. Il campe, en 2010, Pinocchio dans la minisérie éponyme, avant de devenir Sam, un garçon atteint de leucémie, dans Ways To Live Forever.
C’est cependant son personnage de Peter Pan dans la saison 3 de Once Upon a Time qui lui permet de se faire connaître du grand public. Loin du personnage dépeint dans les dessins animés Disney, cette version rebootée brosse le portrait d’un enfant manipulateur, prêt à tout pour devenir immortel. Surfant sur sa toute nouvelle notoriété, NBC fait appel à lui, en 2015, pour incarner Tommy, un adolescent capable de faire disparaître les gens dans Heroes Reborn.
Lucie Reeb