Il est le fils de l'acteur John Carradine, et le frère de Keith Carradine, Michael Bowen, Robert Reed Carradine et Christopher Carradine. Par son mariage avec Martha Plimpton, il est également le beau-père de Nathan Stanley Hurwitz, enfant issu du premier mariage de sa femme.
Robert Carradine a commencé à travailler comme acteur à la fin des années 1960. Il apparaît dans plusieurs épisodes de *La Famille Partridge* avant d'obtenir le rôle principal du film *The Duchess and the Dirtwater Fox*, sorti en 1976.
Il est alors remarqué pour son interprétation du personnage de Dave Douglas, un élève rebelle et musicien, dans la série télévisée *La Famille Partridge*. Sa performance lui vaut d'être nommé pour l'Emmy Award du meilleur acteur dans une série télévisée comique.
Après le terme de la série en 1974, Robert Carradine poursuit sa carrière au cinéma et à la télévision. Il joue notamment dans plusieurs films et séries populaires comme *Meteor*, *The Rockford Files*, *Kung Fu* ou encore *Matlock*.
En 1986, il obtient un des rôles principaux du film *Big Trouble in Little China*, aux côtés de Kurt Russell et Kim Cattrall. Ce film, devenu un classique du genre action-comédie, lui permet d'acquérir une notoriété nouvelle.
Robert Carradine a continué à jouer dans de nombreuses productions depuis lors, en prenant des rôles de caractère ou des seconds plans. Il apparaît notamment dans les films *Psycho III* (1986), *The Exorcist III* (1990) et *Terreur sur le campus* (1995).
Robert Carradine est marié à l'actrice Martha Plimpton depuis 1984. Le couple a un fils, Nathan Stanley Hurwitz, né en 1986.