Его родители рано развелись, он воспитывался дядей. После службы в армии познакомился в 1908 году с приехавшей из Одессы Соней Терк, в 1910 году они поженились. Годы Первой мировой войны провели в Испании и Португалии, в 1921 году вернулись в Париж. В 1937 году Робер и Соня Делоне вместе участвовали в оформлении Всемирной выставки в Париже. С началом Второй мировой войны он укрылся в Оверни, но был уже тяжело болен и вскоре скончался от рака.
Сын Робера и Сони, Шарль Делоне (1911—1988) был пропагандистом и историком джаза.
Начинал под влиянием постимпрессионистов, прежде всего Сезанна. Остро чувствовал движение, ритм. С 1912 года вместе со своей женой Соней Терк-Делоне пришёл от кубизма к своеобразной манере абстрактной живописи, которую Гийом Аполлинер назвал орфизмом. Был близок к Синему всаднику, переписывался с Кандинским и Маке. Автор ряда программных и теоретических работ о живописи, одну из них («О свете», 1912) перевёл на немецкий язык Пауль Клее, она была опубликована в журнале «Sturm» (1913).
Работы Робера Делоне представлены во многих крупных музеях мира от Шотландии до Японии и Австралии.