Après une éducation catholique chez les Jésuites et un passage à l'académie militaire Wentworth de Lexington, Robert Altman sort de l'université du Missouri avec un diplôme d'ingénieur en main. Lorsque la guerre éclate, il s'engage dans l'armée et se retrouve co-pilote dans l'US Air Force. Intéressé par le cinéma, il s'installe à Hollywood où il fait figure de touche à tout (figuration, scénario, radio, etc.). Il réussit à vendre deux de ses scénarios : Christmas Eve et Bodyguard que tourne Richard Fleischer en 1948.

De retour à Kansas City, il travaille comme chauffeur à la Calvin Compagny, une société de production de films industriels, avant de commencer à monter et réaliser des courts métrages institutionnels. En 1955, il met en scène son premier long métrage (qui ne sortira que deux ans plus tard), The Delinquents. Le succès de son documentaire sur James Dean lui permet de diriger pour la télévision de nombreux épisodes de séries célèbres comme Bonanza ou encore Alfred Hitchcock présente.

En 1963, il crée sa maison de production, Lion's Gate Films, et tourne Countdown avec James Caan et Robert Duvall dans les rôles principaux. Mais il doit attendre 1970 et son satirique M.A.S.H., Palme d'or au Festival de Cannes, pour accéder à la reconnaissance internationale. Robert Altman s'essaie ensuite à tous les registres en bousculant leurs codes : le western (John McCabe ; 1971), le polar (Le Privé ; 1973) et le film intimiste (Trois femmes ; 1977).

Le réalisateur (également scénariste et producteur) parvient à créer son propre univers : de nombreuses histoires séparées qui finissent par se croiser et un regard ironique, amusé sur ses semblables. Le premier opus du genre est Nashville (1975), un film chorale avec une pléiade d'acteurs parmi lesquels Ned Beatty, Karen Black, Keith Carradine ou encore Geraldine Chaplin. Mais à la fin des années 70, Robert Altman enregistre une série d'échecs (Un mariage, Quintet et Popeye) et décide de s'installer à New York où il se remet à travailler pour la télévision.

Ce n'est qu'en 1992 qu'il revient en force sur le devant de la scène cinématographique en s'attaquant à Hollywood dans The Player. Dans les années 90, il continue à observer la société avec un regard volontiers cynique. Dans Prêt-à-porter (1994), il s'en prend au monde de la mode, à l'Amérique bien-pensante dans Short cuts (1993) (Lion d'or à Venise) ou encore au milieu politique avec Kansas City (1996). A l'aube des années 2000, le tout Hollywood se dispute pour tourner sous sa direction : le trio féminin Liv Tyler / Glenn Close / Julianne Moore dans Cookie's fortune (1999) ou encore le très convoité Richard Gere dans Docteur T et les femmes (2000).

En 2001, Robert Altman met en scène une intrigue policière se déroulant dans l'aristocratie anglaise pour Gosford Park. L'année suivante, l'ensemble de son oeuvre est salué par un Ours d'honneur au Festival de Berlin. Eclectique, il change radicalement de registre en filmant les hauts et les bas d'une ballerine (Neve Campbell) dans The Company (2003), puis, adepte des films à gros casting, il convie Meryl Streep, Kevin Kline, Tommy Lee Jones et Lindsay Lohan à participer à son Last Show, brocardant au passage l'univers de la radio.