Его актёрский дебют состоялся в ноябре 1955 года на телевидении в одном из эпизодом сериала «Медик», где Вон исполнил первую из более чем двухсот эпизодических ролей на телевидении за последующие пятьдесят лет. На большом экране впервые он тоже появился в эпизоде, сыграв в 1956 году идолопоклонника золотого телёнка в блокбастере Луиса Б. Майера «Десять заповедей» (1956). Год спустя Вон исполнил роль Боба Форда, убийцы Джесси Джеймса в вестерне «Адский перекрёсток». Его следующей ролью должен был стать Стив Даллса в нуаре «Сладкий запах успеха», но актёр был призван в армию, прежде чем начались съёмки.


После окончания службы Роберт Вон вернулся в кино, и в 1959 году добился первого крупного успеха, получив номинации на «Оскар» и «Золотой глобус» за роль Честера Гвинна в драме «Юные филадельфийцы».

Следующей крупной ролью актёра стал Ли в классическом вестерне «Великолепная семёрка» (1960), адаптация философской драмы «Акиры Куросавы» «Семь самураев». В настоящее время Роберт Вон — единственный здравствующий актёр из основного состава «Семёрки».


В 1963 году Роберт Вон стал исполнителем роли лейтенанта Раймонда Рэмбриджа в телесериале «Лейтенант». Его роль была не велика, и год спустя он обратился к создателям сериала, желая увеличить своё экранное время, а в итоге получил главную роль секретного агента Наполеона Соло в новом телесериале «Человек из U.N.C.L.E.». Для Вона эта роль стала одной из самых знаменитых на телевидении, и принесла ему две номинации на «Золотой глобус».

В 1968 году актёр появился в полицейском триллере «Буллит» в компании Стива МакКуина, где за роль сенатора Уолтера Чалмерса был номинирован на премию «BAFTA». В 1977 году Роберт Вон стал обладателем премии «Эмми» за роль Фрэнка Флаерти в телесериале «Вашингтон: За закрытыми дверями» в номинации лучший актёр второго плана в драматическом сериале.


В дальнейшие годы Роберт Вон продолжал много сниматься на телевидении и в кино, где ему в основном доставались роль в фильмах категории B. Среди его многочисленных работ на телевидении — роли в телесериалах «Коломбо», «Охотник Джон», «Команда «А»», «Отель», «Она написала убийство», «Крутой Уокер», «Диагноз: Убийство», «Защитники», «Правосудие Берка», «Закон и порядок», «Виртуозы» и многих других. На большом экране он запомнился появлениями в фильмах «Ад в поднебесье» (1974), «Звёздная мишень» (1978), «Вирус» (1980), «Битва за пределами звёзд» (1980), «Ангар 18» (1980), «Супермен 3» (1983), «Отряд „Дельта“» (1986), «Вулкан» (1997) и «Счастливый час» (2003).

В 1974 году Роберт Вон женился на актрисе Линде Стааб, с которой усыновил двоих детей: Кэсседи (род. 1976) и Кейтлин (род. 1981). В настоящее время они проживают в городе Риджфилд, штат Коннектикут.

Награды и премии
Эмми, 1979 год
Номинации: Лучшая мужская роль второго плана в мини-сериале или телефильме («Закулисье Белого дома»)

Эмми, 1978 год
Победитель: Лучшая мужская роль второго плана в драматическом сериале («Вашингтон: За закрытыми дверьми»)

Британская академия, 1970 год
Номинации: Лучшая мужская роль второго плана («Детектив Буллитт»)

Золотой глобус, 1966 год
Номинации: Лучший актер на ТВ («Человек от Д.Я.Д.И.»); Лучший актер на ТВ («Человек от Д.Я.Д.И.»)


Золотой глобус, 1965 год
Номинации: Лучший актер на ТВ («Человек от Д.Я.Д.И.»)

Золотой глобус, 1961 год
Победитель: Самый многообещающий новичок среди мужчин

Оскар, 1960 год
Номинации: Лучшая мужская роль второго плана («Молодые филадельфийцы»)

Золотой глобус, 1960 год
Номинации: Лучшая мужская роль второго плана («Молодые филадельфийцы»)