Cliff Robertson was de zoon van rijke landeigenaren, op 2-jarige leeftijd werd hij geadopteerd en grootgebracht door zijn grootmoeder nadat zijn ouders waren gescheiden. Als jeugdige knaap had hij zin voor initiatief, zo ving hij kreeften om een extra centje bij te verdienen en schrobde op 13-jarige leeftijd al vliegtuigen in ruil voor vlieglessen. 
Robertson volgde een opleiding journalistiek aan het Antioch College. Hij had al even gewerkt als reporter en twee en een half jaar op een koopvaardijschip toen hij naar New York trok, vastbesloten om het te gaan maken in de filmwereld. Echt vlot ging dat niet, aanvankelijk volgde hij mensen in opdracht van een privédetective, stond in voor het parkeren van auto’s aan de Stork Club en sloot zich aan bij een toneelvereniging met als doel een opleiding aan de Actor’s Studio te kunnen betalen. In 1953 kwam hij dan terecht op Broadway waar hij kon starten met het opdoen van ervaring als toneelacteur. 
Zijn rol in Picnic was zijn filmdebuut en hij werd persoonlijk door toenmalig president John F. Kennedy geselecteerd om hem te vertolken in PT 109 (1963), een prent over de memoires van JFK in oorlogstijd waaronder die van luitenant als bootcommandant. De gekendste rol van Cliff Robertson is die van het titelpersonage uit Charly, een man die door het leven gaat met een mentale beperking, daarvoor wordt geopereerd, vervolgens korte tijd een genie wordt én een relatie aanknoopt met zijn lieftallige psychologe (rol vertolkt door Claire Bloom). 

Cliff Robertson trouwde in 1957 met Cynthia Stone, ze kregen één kind, Stephanie. Het huwelijk liep op de klippen en in 1966 huwde de acteur opnieuw, dan met Dina Merrill waar hij mee getrouwd bleef tot in 1989. 

In 1972 was er dan J.W. Coop, één van de meest ambitieuze projecten uit zijn carrière. De film, een drama over een would be rodeoster, had hij niet alleen geschreven, hij stond ook in voor de regie en de productie én vertolkte daarenboven ook een rol in de prent (!). 

Eind de jaren ’70 kreeg de carrière van Cliff Robertson een flinke dreun wanneer hij filmproducent David Begelman, op dat moment zelfs diensthoofd productie bij Columbia (!), ervan beschuldigde dat hij in/op zijn naam valselijk een check had uitgeschreven (en volgens één bron zelf geïncasseerd) en op die manier $ 10.000 van hem had achtergehouden. Wat initieel niets meer dan een incident leek te zijn, groeide uit tot een groot schandaal en was zelfs de basis voor het boek Indecent Exposure, geschreven door David McClintock. De afloop was verrassend: Begelman werd genoemd in gelijkaardige zaken en beschuldigingen en legde een bekentenis af. Ook al straf: Begelman verloor zijn job bij Columbia en bleef succes hebben terwijl Robertson drie jaar lang geen werk meer kon vinden in Hollywood… 
En de acteur bleef niet gespaard van nog meer onheil: toen hij aan de slag was in Brainstorm werd de productie stilgelegd door het overlijden van zijn tegenspeelster Natalie Wood.
Cliff Robertson heeft ook prima werk verricht voor televisie. Zo kreeg hij in 1966 een Emmy voor zijn bijdrage aan The Game en werd hij genomineerd voor zijn rol in The Two Worlds of Charly Gordon. Verder was hij tijdens het seizoen 1953-1954 te zien in de zaterdagochtendserie Rod Brown of the Rocket Rangers en als de aan alcohol verslaafde echtgenoot in Days of Wine and Roses (1958), een rol die later in de filmversie zou vertolkt worden door Jack Lemmon. Robertson was zelfs één seizoen te zien in Falcon Crest (1983-1984). 

Cliff Robertson is ook jaren tv-woordvoerder geweest voor AT&T.