Német bányamérnök apa és orosz anya kilenc gyermeke közül másodikként született 1895. október 4-én Bakuban, de már Berlinben nőtt fel. Az első világháborúban a nyugati és a keleti fronton is szolgált, és többször megsebesült, egyik sebe miatt élete hátralévő részében bicegett. 1917-ben katonai szolgálatra alkalmatlannak minősítették, a kórházban lábadozva lett meggyőződéses kommunista. 1919-ben politikatudományokból doktorált, ezután volt tanár, bérszámfejtő egy bányában, de kommunista agitáció miatt mindkét állásából elbocsátották.
A német és – Bakuban töltött gyermekkora miatt – orosz nyelv mellett angolul és franciául is kiválóan beszélő Sorgét ekkoriban szervezte be a szovjet titkosszolgálat, kiképzése után újságíróként dolgozott Solingenben és Frankfurtban. Három év múlva áttelepült Moszkvába, ahol a Komintern referense és szovjet állampolgár lett.
1929-ben a katonai hírszerzés, a GRU hivatásos, titkos állományú tisztje lett, és az is maradt élete végéig. Sorge százados újságírónak álcázva tért vissza Németországba, és belépett a felemelkedőben lévő náci pártba. 1930-ban egy mezőgazdasági lap szakírójaként Sanghajba delegálták, hogy tájékozódjon a kommunisták ellen harcoló, Csang Kaj-sek vezette Kuomintang kormány szándékairól, ekkor kezdte kiépíteni később oly hasznosnak bizonyuló kapcsolatait.
A társasági életben forogva elsőként tudta meg, hogy Japán Mandzsúria lerohanására készül, később pontosnak bizonyult jelentését azonban Moszkvában hihetetlennek találták és mellőzték. 1932-ben hazahívták, majd újfent Németországba utazott. Újságírói álcája olyan remekül bevált, hogy – hónapokkal a náci hatalomátvétel előtt – az akkor még nem túl jelentős katonai hírszerzés, az Abwehr is beszervezte ügynökének. 1933 szeptemberében Japánba küldték, ahol hozzálátott kémhálózatának kiépítéséhez. Diplomáciai védettsége nem lévén a lebukás azonnali halálát jelentette volna, ezért rendkívül szigorú konspirációra kényszerült, információforrásait még legközelebbi társai elől is titkolta. Csoportjának két legfontosabb tagja Max Christiansen-Clausen távírász és a legmagasabb kapcsolatokkal rendelkező, hithű kommunista Ozaki Hocumi volt.
A természetesen viselkedő, a nőket és az alkoholt sem megvető Sorge sikeresen oszlatta el a japán kémelhárítás gyanúját, sőt még a szovjet kérdések szakértőjeként is kikérték véleményét. Számos komoly információt sikerült szereznie, többek között az Antikomintern-paktumot megelőző német–japán tárgyalásokról, a japánok által a szovjet Távol-Kelet ellen Mandzsúriából indított provokációkról. Jelentéseinek fontos szerepe volt abban, hogy a Vörös Hadsereg 1939-ben a Halhín-Golnál legyőzte a japánokat, akik ezt követően felhagytak a terjeszkedéssel Szibéria felé. Arra is figyelmeztetett, hogy a japánok megfertőzték a Halhín-Gol folyót, a járványügyi intézkedések számos emberéletet mentettek meg.
Baráti kapcsolatot épített ki a tokiói német nagykövettel és annak feleségével, a követség belső információs tájékoztatójának szerkesztőjeként titkos, kódolt táviratokhoz is hozzáfért. 1941 márciusától többször jelezte, hogy Hitler az év nyarán a Szovjetunió ellen fog fordulni. A támadás kezdetét májusban június 20-ra tette, és a Wehrmacht hadigépezete két nappal később rá is zúdult a Szovjetunióra. A támadás mégis felkészületlenül érte a Vörös Hadsereget, mert Sztálin paranoiával határos bizalmatlansága miatt az utolsó pillanatig hinni akart abban, hogy Hitler nem indít hadüzenet nélküli támadást, az ennek ellentmondó jelentéseket pedig figyelmen kívül hagyta, Sorgét trockista összeesküvőnek minősítette.
Sorge jelentéseiben azonban ezután már megbíztak Moszkvában, akkor is, amikor szeptember elején jelezte, hogy Japán Amerika megtámadásával a Csendes-óceánon fog terjeszkedni, a Szovjetunió ellen nem tervez támadást. Sztálin ezúttal túltette magát a hírszerző szolgálattal szemben tanúsított bizalmatlanságán, és komoly erőket csoportosított át Távol-Keletről, ez tette lehetővé, hogy 1941 decemberében Moszkva közvetlen közelében megállítsák a német offenzívát.
Sorge körül azonban szorult a hurok. 1941. szeptember 28-án egy rutinrazzia során letartóztatták egyik informátorát, aki pánikba esve kiugrott a kihallgatószoba ablakán. Balszerencséjére életben maradt, és a titkosrendőrség, a Kempeitai a kínvallatás során Ozaki, majd tőle Sorge nevét is megszerezte. Sorgét október 18-án tartóztatták le, és a kínzások nyomán ő is teljes beismerő vallomást tett. A japánok megpróbálták kicserélni, de Moszkvában még azt is tagadták, hogy ismernék – a német állampolgárságát megtartó Sorge feleségét azért német kémnek minősítették, és a Gulagra hurcolták. A Sztálin által cserbenhagyott Sorgét 1944. november 7-én akasztották fel 49 évesen, maradványait japán élettársa a háború után a tokiói Tama temetőben helyezte örök nyugalomra.
Sorge tevékenysége az 1950-es években került nyilvánosságra, de Moszkvában csak 1964-ben méltatták nyilvánosan, amikor Nyikita Hruscsov pártfőtitkár posztumusz a Szovjetunió Hőse címmel tüntette ki. A következő évtizedekben tiszteletére bélyeget adtak ki, utcákat, iskolákat neveztek el róla. Történetéből több könyv és film született, Douglas MacArthur tábornok, a Japánt megszálló amerikai hadsereg parancsnoka a kémkedés briliáns sikerének nevezte Sorge tevékenységét, amely a James Bond-regényeket író Ian Fleminget is lenyűgözte.
