D'origine thèque, Robert Wiene est le fils de Carl Wiene, fameux acteur de théâtre qui perdit la raison lorsqu'il quitta les planches. Son jeune frère Conrad fera également carrière en tant que comédien. Lui étudie le droit puis le théâtre, mais c'est la mise en scène qui l'intéresse. Au milieu des années, il se lance dans l'écriture et la réalisation de films, d'abord des courts métrages, puis des longs, interprétées entre autres par Henny Porten, actrice en vogue à l'époque.

En 1919, le producteur Erich Pommer lui propose de porter à l'écran un scénario de Carl Mayer et Hans Janowitz, qui relate une série de meurtres mystérieux sur fond de fête foraine. Intéressé, Fritz Lang avait dû décliner l'offre, car il était accaparé par la série des Araignées. Robert Wiene s'attelle donc à la réalisation du Cabinet du docteur Caligari, non sans avoir procédé à quelques modifications : il tient à ce que soient ajoutés un prologue et un épilogue, afin d'expliquer que ce récit abracadabrant est le fruit de l'imagination d'un fou. Ces visions cauchemardesques se traduisent à l'écran par des images fascinantes et stylisées, grâce à l'usage de toiles peintes, des jeux de lumière et des effets de déformation. S'imposant comme le manifeste de l'expressionnisme, le film triomphe en Allemagne avant d'être vendu dans le monde entier. C'est le premier long métrage projeté aux Etats-Unis après la fin de la Première Guerre mondiale.

Il continuera dans une veine étrange, voire fantastique, parfois avec le concours de Carl Mayer (Genuine, "Der Puppenmacher von Kiang-Ning"), mais sans jamais connaitre autant de succès ni de reconnaissance. En 1924, il retrouve Conrad Veidt, un des acteurs de Caligari, pour Les Mains D'Orlac, l'histoire d'un pianiste qui se fait greffer les mains d'un assassin.Il tournera encore une vingtaine de longs métrages, pour la plupart tombés dans l'oubli, s'inspirant aussi bien de la littérature russe (Raskolnikov, une adaptation de Crime et Chatiment en 1924) que d'un opéra de Strauss Le Chevalier à la rose, 1925). L'avènement du nazisme le conduit à s'exiler en Angleterre. En 1938, il entame à Paris le tournage de Ultimatum, un film d'espionnage avec Erich Von Stroheim. Il meurt des suites d'un cancer quelques jours avant la fin du tournage, qui sera bouclé par Robert Siodmak.