По образованию — философ. Р. Мотеруэлл начал рисовать в 1938 году, после поездки во Францию. В 1940 году знакомится в Мексике с Роберто Матта, у которого учится технике автоматизма и сюрреализма. В 1942 году принимает участие в выставке сюрреализма в Нью-Йорке. Первая персональная выставка состоялась в Галерее искусств Пегги Гугенхейм в 1944 году.
В 1948 году Р. Мотеруэлл арендует совместно с Уильямом Базиотесом, Барнеттом Ньюменом и Марком Ротко ателье, превратившееся вскоре в авангардистский художественный клуб. В то время художник работает над серией коллажей, навеянных работами Курта Швиттерса и Анри Матисса. В 1949 году начинает серию картин, посвящённых гражданской войне в Испании, полных глубокого гражданского пафоса, в которую вошло более 250 полотен и созданию которой мастер посвятил более трёх десятилетий.
В начале 70-х годов XX века художник возвращается к символизму. Особенно увлекает его тематика Средиземноморья, которую он исполняет лёгкими, светящимися красками.
Был женат на художнице Хелен Франкенталер.