A kaliforniai La Jollában módos farmercsaládba született III. Clifford Parker Robertson néven. Miután szülei elváltak, majd anyja fiatalon meghalt, nagyanyja vette magához és nevelte fel. A második világháború alatt az amerikai kereskedelmi flottánál szolgált, hazatérve a Yellow Springs-i Antioch College-ban kezdte meg felsőfokú tanulmányait. Egy ideig újságíróként dolgozott egy helyi lapnál, közben egyre erősebb lett benne a vágy, hogy a színészettel foglalkozzon. Az ötvenes évek elején otthagyta a főiskolát, majd New Yorkba költözött, ahol beiratkozott az Actors Studióba.
A Broadway-n 1953-ban debütált a Late Love, majd Joshua Logan The Wisteria Trees című darabjában. Televíziós karrierje is ekkor indult be, olyan televíziós antológiasorozatokban kapott szerepet, mint az Armstrong Circle Theatre, a Hallmark Hall of Fame vagy a CBS-en futó Rod Brown of the Rocket Rangers. A televíziózás aranykorában feltűnt még a The United States Steel Hour, a Playhouse 90, valamint a The Chrysler Theater egyes epizódjaiban, utóbbiért 1966-ban Emmy-díjat nyert.
Első filmszerepét az 1955-ös Piknik című romantikus vígjátékban kapta William Holden és Kim Novak oldalán. A film népszerűségének köszönhetően Robertson szerződést kötött a Columbia filmstúdióval, a következő évben már az Őszi falevélben szerepelt Joan Crawford mellett. A későbbiekben többek közt kisstílű bűnözőt alakított az Underworld U.S.A. (1961) című moziban, majd egy orvost a The Interns (1962) kórházi melodrámában.
Áttörést hozott karrierjében, amikor John F. Kennedy személyesen választotta ki, hogy eljátssza őt az 1963-as PT 109 című életrajzi háborús filmben. Robertson főszereplésével 1968-ban mutatták be a Daniel Keyes művén alapuló Charly – Virágot Algernonnak című filmet. A pékségben dolgozó, mentálisan sérült Charly Gordon megformálásáért elnyerte a legjobb férfi főszereplőnek járó Oscar-díjat. A gálán személyesen nem tudott részt venni, mert a Fülöp-szigeteken forgatta a Megsemmisítését elrendelem című drámát, a szobrocskát Frank Sinatra vette át helyette. Ezt követően a hetvenes években jó szerepeket kapott, többek között a Banditák a jenkik földjén (1972), A keselyű három napja (1975), a Megszállottság (1976) című filmekben, valamint a Washington zárt ajtók mögött (1977) című minisorozatban.
1977-ben egy adóhatósági ellenőrzés után fedezte fel, hogy nevét aláhamisították egy 10.000 dolláros csekken. Feljelentést tett sikkasztás miatt, bár nem hitte, hogy ezzel az 1970-es évek legnagyobb hollywoodi botrányát robbantja ki. A nyomozás szálai a Columbia Pictures akkori igazgatójához, David Begelmanhoz vezettek, akit pénzbüntetésre és közmunkára ítéltek. A stúdió elnöksége mindent megtett, hogy Begelman a helyén maradjon, és a botrány ne szivárogjon ki. Az intés ellenére azonban Robertson megkereste a sajtót, ami után Hollywoodban több évre feketelistára került.
Ezután főleg a televízióban kapott kisebb szerepeket, majd megírta, rendezte és eljátszotta a főszerepét a The Pilot (1980) című filmnek. Főszerepet játszott az 1985-ös Rázós futamban, 1986-ban a Dreams of Gold: The Mel Fisher Story című tévéfilmben, ezen kívül 1984–85-ben a Falcon Crest sorozat állandó szereplője volt, majd Henry Fordot alakította Az ember és a gépben (1987). Későbbi jelentősebb filmjei közé tartozott a Szívgalopp (1991), a Reneszánsz ember (1994) és a Menekülés Los Angelesből (1996). Karrierje újraéledt, amikor megkapta Ben Parker szerepét Sam Raimi Pókember című filmjében (2002), valamint a 2004-es és 2007-es folytatásokban – utóbbi volt az utolsó filmje.
Egy nappal 88. születésnapja után, 2011. szeptember 10-én halt meg. Egész életében a repülés szerelmese volt, többek közt egy második világháborús Supermarine Spitfire és egy Grob Astir vitorlázórepülő tulajdonosa volt. Egyike volt azoknak, akik segítettek a polgárháborús Nigériába és az éhínség sújtotta Etiópiába segélyszállítmányokat eljuttatni. A színész kétszer nősült meg, Cynthia Stone színésznővel két évig tartó házasságából egy lánya született. Szintén válással végződött Dina Merrill színésznővel 1966-ban kötött házassága, lányuk 2007-ben vesztette életét.
Nyitókép: Cliff Robertson a Charly – Virágot Algernonnak egyik jelenetében. Fotó: ABC Pictures / Robertson and A / Collection ChristopheL via AFP
