Робер был вторым сыном Фердинанда Филиппа, герцога Орлеанского и Елены Мекленбург-Шверинской. Имел единственного брата Луи-Филиппа, графа Парижского, наследника французского престола. Робер в раннем детстве потерял отца, погибшего в дорожной аварии. В 1857 году, когда ему было 17 лет умерла и его мать. Воспитанием Робера с братом занимались родители их отца Луи-Филипп I и Мария-Амалия Неаполитанская. С революцией 1848 года их семья была вынуждена покинуть Францию, принц с матерью и братом остановились в Германии.
После смерти матери Робер уехал в Турин продолжать свою учебу на военного. Став офицером пьемонтских драгунов, герцог Шартрский в 1859 году вступил в войну за объединение Италии на стороне Савойской династии и Франции. В 1861, когда началась война между Севером и Югом в США, Робер вместе со своим братом и дядей принцем де Жуанвиль, отправился в США, где воевал на стороне северян. Находясь в Брюсселе в 1870 году во время провозглашения Франко-Прусской войны, он попросил у правительства Наполеона III разрешения участвовать в сражениях. Однако принцу было отказано, и только после падения империи он смог вступить в армию. За заслуги он был сделан кавалером Ордена Почётного легиона. В 1886 году как член Орлеанского дома герцог Шартрский был вычеркнут из списка военных.
Вернувшись из Америки Робер решил женится. Из-за низкого статуса его семьи вследствие падения монархии он не мог рассчитывать на выгодный брак с иностранной принцессой. Поэтому герцог попросил руки своей кузины Франсуазы (1844—1925), дочери Франсуа Орлеанского, принца де Жуанвиль. Их свадьба состоялась 11 июля 1863 в Кингстоне на Темзе. Дети:
Роберт Орлеанский умер 5 декабря 1910 года в замке Сен-Фирмен (департамент Верхние Альпы).