Родился в 1668 году.
Образование получил домашнее и по тому времени отличное.
В 1683 году был записан в царские потешные, а в 1695 году получил чин капитана и роту Преображенского полка. В том же и следующем годах участвовал в азовских походах и, вероятно (точных сведений нет), сопутствовал Петру в его заграничном путешествии (1697—1698).
В 1700 году был назначен полковником одного из пехотных полков, с которым участвовал при осаде Нарвы.
В 1702 году находился при осаде и взятии Нотебурга, а в 1703 году находился при взятии Ниеншанца и заложении Петербурга. 19 мая следующего года назначен в эту столицу обер-комендантом. В последней должности он очень многое сделал и для устройства Петербурга, пользуясь для этого частыми отлучками Петербургского губернатора Александра Даниловича Меньшикова, и для ограждения его от вражеских нападений. Между прочим, он отразил троекратное нападение шведского генерала Майделя, решившегося уничтожить строящийся город (1704 и 1705), за что был награжден чином генерал-майора.
Кроме того, Брюс выступал из Петербурга с своими отрядами для осады соседних шведских городов. Такова его попытка в 1706 году овладеть городом Выборг, окончившаяся в октябре неудачей.
С 1708 года, когда из Москвы был командирован для охраны Петербурга адмирал Федор Матвеевич Апраксин, Роман Вилимович Брюс является самым деятельным его помощником. Осенью того же года он помогает Апраксину в уничтожении экспедиции шведского генерала Любекера, посланного стокгольмским сенатом для обратного завоевания Ингерманландии и срытия Петербурга; а в 1710 году (с марта по июнь) — при осаде и взятии Выборга, за что награжден поместьями. Июль, август и первую неделю сентября был занят покорением Кексгольма, который ему удалось взять 8 сентября. Этим подвигом, доставившим Брюсу звание генерал-лейтенанта, окончилось его военная карьера.
Последующие годы до своей смерти он посвятил исключительно устройству города Петербург и занятиям, сопряжённым со званием обер-коменданта.
Назначенный в 1719 году членом военной коллегии, он недолго исполнял эту обязанность: в 1720 году он скончался, на 53 году жизни. Похоронен внутри Петропавловской крепости, возле собора, напротив алтаря.
Главнейший памятник трудов Р. В. Брюса в звании обер-коменданта, уцелевший и до сих пор, есть каменная Петропавловская крепость, построенная под его руководством вместо прежней земляной. Его же содействию обязана своим основанием первая в Санкт-Петербурге евангелическая церковь св. Анны.