Né le 22 novembre 1932 à New York, Robert Vaughn grandit dans une famille de comédiens. Son père est une voix pour la radio et sa mère monte sur les planches.

Après des études, notamment en sciences politiques, il bifurque vers le cinéma. Après avoir tenu un rôle dans «Les dix commandements» de Cecil B. DeMille (1957), il concourt pour les Oscars après sa prestation dans «Ce monde à part» de Vincent Sherman, en 1959.

Un an plus tard, il joue dans le film culte «Les Sept mercenaires» de John Sturges, donnant la réplique à des monuments tels que Steve McQueen, Charles Bronson ou James Coburn. Il y incarne Lee, le plus élégant et le plus nerveux des défenseurs du village mexicain, dans cette version américaine des «Sept Samouraïs» d'Akira Kurosawa.

Sa carrière bifurque par la suite vers les productions télévisées, n'apparaissant plus sur grand écran que pour des productions moins prestigieuses telles que «Delta Force», au côté de Chuck Norris, en 1986.

A la télévision, il acquiert sa célébrité grâce à son rôle de Napoleon Solo dans «Des agents très spéciaux», réponse du petit écran à «James Bond». Il tourne également dans diverses séries policières (Columbo, Perry Mason).

Robert Vaughn a également écrit un livre, en 1972, intitulé «Only victims», consacré aux purges et aux listes noires hollywoodiennes. Il était marié et père de deux enfants.