Issu d'une famille d'artistes (son père, Robert, d'origine alsacienne, est alors peintre, sa mère, Mildred, chanteuse et pianiste), Robert Lynen passe les premières années de sa vie dans sa province natale, où ses parents élèvent des animaux. En 1923, la famille s'installe à Paris et son père revient à son activité de dessinateur industriel. Son frère aîné Edgar meurt en 1925, d'une blessure mal soignée. Son père se suicide le 26 mai 1935.

Il est repéré à 12 ans par Julien Duvivier alors qu'il est élève à l'École du spectacle. Après quelques essais, il est engagé pour le rôle principal de Poil de Carotte (1932) avec Harry Baur. À la suite du succès public du film, il devient l'enfant vedette du cinéma français.

En 1938, il rencontre Louis Jouvet dans Éducation de prince, rencontre qui le marque. À 18 ans, il incarne le premier rôle dans Le Petit Chose d'Alphonse Daudet, filmé par Maurice Cloche, puis joue dans La vie est magnifique avec ce même réalisateur.

Il est inspiré par les valeurs du résistant Pierre Henneguier, mari de sa sœur ainée, May.

Engagement dans la Résistance et exécution

En 1940, à 20 ans, il figure parmi la distribution dans Espoirs de Willy Rozier. L'année suivante, il part en tournée théâtrale et tourne son dernier film Cap au large de Jean-Paul Paulin. Parallèlement, il part pour un chantier de jeunesse tout en intègrant un réseau de Résistance. Il est ainsi recruté pour le réseau de renseignement Alliance par le responsable du renseignement à Toulon, Jean-Louis Crémieux, sous la responsabilité de Marie-Madeleine Fourcade (Méric) ; il prend le pseudonyme de « L'Aiglon » (allusion à la pièce de théâtre, dans un réseau dont les membres adoptent des noms d'animaux). Agent de liaison et de renseignements entre le PC du réseau et Marseille, il est ensuite chargé du renseignement concernant les états-majors allemands jusqu'à Bruxelles.

Nommé sous-lieutenant il est arrêté par la Gestapo à Cassis au château de Fontcreuse à la suite d'une dénonciation par un officier français vendu aux nazis, le 7 ou le 8 février 1943, il est emmené à la prison de la rue Saint-Pierre à Marseille où il est interrogé et torturé. Il est transféré à Fribourg en Allemagne, en mai 1943. Après plusieurs mois de détention et deux tentatives d'évasion, il est jugé les 15 et 16 décembre 1943 avec dix autres compagnons et condamné à mort avec eux pour « espionnage au profit d'une puissance ennemie » par la cour martiale du Reich. Privé de nourriture, il croupit à la forteresse de Bruchsal près de Karlsruhe.

Robert Lynen est fusillé le 1er avril 1944 en même temps que treize autres membres de son réseau de Résistance sur un champ de tir de la Wehrmacht dans la forêt du Hardtwald à Karlsruhe. Il meurt en chantant La Marseillaise. Enterré dans une fosse commune, son corps et celui de ses camarades sont rapatriés en France en 1947. Le 23 décembre 1947, une cérémonie aux Invalides leur rend hommage et la croix de guerre leur est remise à titre posthume. Robert Lynen repose dans le carré militaire du cimetière de Gentilly.