Né le 15 mai 1960 à Wichita Falls, au Texas, Rob Stanton Bowman est le fils du réalisateur et producteur Chuck Bowman, ce qui le familiarise très tôt avec les plateaux de tournage. Après avoir exercé divers petits métiers, dont électricien et barman à Salt Lake City, il rejoint la société de production de Stephen J. Cannell, où il débute au courrier avant d'observer la production de plus de quatre cents heures de programmes télévisés. Il commence à réaliser pour la télévision dès 1982 et se fait remarquer en 1987 grâce à la série Star Trek : La Nouvelle Génération, dont il met en scène treize épisodes, parmi lesquels l'épisode culte The Best of Both Worlds. Sur la force de son travail sur la série Parker Lewis ne perd jamais, on lui confie la réalisation de son premier long métrage, Airborne, comédie initiatique sur le patin en ligne, sorti en 1993. Sa collaboration la plus marquante reste celle avec la série X-Files, sur laquelle il réalise trente-quatre épisodes et en produit quatre-vingt-neuf, lui valant quatre nominations consécutives aux Emmy Awards, avant de mettre en scène en 1998 son adaptation cinématographique, X-Files, le film : Combattre le futur. Il réalise ensuite Le Règne du feu en 2002, film post-apocalyptique où l'humanité affronte des dragons, avec Christian Bale et Matthew McConaughey, puis Elektra en 2005, spin-off de Daredevil porté par Jennifer Garner. Il devient par la suite producteur exécutif et réalisateur récurrent de la série Castle entre 2009 et 2015.
Bowman raconte avoir eu la révélation de sa vocation en visionnant Le Magicien d'Oz durant son enfance, tandis que le travail de son père sur des publicités et des documentaires lui a permis d'observer très tôt les coulisses de la fabrication d'un film. Il explique avoir voulu se forger, dès l'âge de vingt ans, une signature personnelle de mise en scène pour se distinguer des autres réalisateurs de télévision.
Rob Bowman reçoit quatre nominations consécutives aux Emmy Awards comme producteur de la série X-Files entre 1996 et 2000.
Son père, le réalisateur et producteur Chuck Bowman, a été déterminant dans son entrée dans le métier. La série X-Files, sur laquelle il travaille pendant plusieurs saisons comme réalisateur et producteur, demeure sa collaboration télévisuelle la plus durable.