Né en 1927 à Hollywood, Robert Butler étudie l'anglais à l'UCLA avant de débuter à la CBS comme placeur, puis de gravir rapidement les échelons jusqu'à devenir assistant réalisateur sur des émissions en direct. Il signe son premier épisode en tant que réalisateur en 1959 sur la série Hennesey, avant de devenir l'un des metteurs en scène les plus recherchés de la télévision américaine pour lancer de nouvelles séries. Il réalise en 1965 le pilote de Hogan's Heroes, puis en 1966 celui de Batman, où il invente les célèbres angles inclinés associés aux méchants de la série, et surtout le premier pilote de Star Trek, La Cage, avec Jeffrey Hunter et Leonard Nimoy. Il poursuit cette spécialité tout au long de sa carrière, signant les épisodes fondateurs de Hill Street Blues en 1981, qui lui vaut un second Emmy Award, ainsi que ceux de Clair de lune, Remington Steele, qu'il co-crée, et Loïs et Clark. Il réalise également quelques longs métrages pour Disney, dont L'Ordinateur aux tennis en 1969, avant de se consacrer presque exclusivement à la réalisation de pilotes de série jusqu'au milieu des années 1990.
Sa formation d'assistant réalisateur sur des émissions en direct à la CBS lui donne un sens aigu de la rapidité d'exécution et de l'efficacité narrative, qualités essentielles pour la réalisation de pilotes de série. Son travail auprès de Gene Roddenberry sur la série Le Lieutenant, avant Star Trek, forge une relation de confiance qui le conduit à réaliser le tout premier pilote de la franchise. Sa volonté d'apporter une touche visuelle distinctive, y compris dans des projets de genre populaire, l'amène à expérimenter des choix de mise en scène audacieux pour l'époque, comme les caméras portées à l'épaule sur Batman.
Butler excelle particulièrement dans l'art du pilote de série, capable en un seul épisode de définir le ton, le rythme et l'identité visuelle d'un programme entier. Il sait s'adapter avec une grande aisance à des genres très différents, de la comédie policière à la science-fiction en passant par le drame urbain réaliste de Hill Street Blues. Sa direction d'acteurs, réputée exigeante et précise, contribue à révéler plusieurs interprètes alors inconnus, dont Bruce Willis sur Clair de lune.
Robert Butler remporte deux Emmy Awards de la meilleure réalisation, en 1973 pour le pilote de The Blue Knight et en 1981 pour celui de Hill Street Blues. Il reçoit en 2015 le Lifetime Achievement Award de la Directors Guild of America pour l'ensemble de sa contribution à la réalisation télévisuelle.
Gene Roddenberry, créateur de Star Trek, fait appel à lui à plusieurs reprises au début de sa carrière, d'abord sur Le Lieutenant puis pour le pilote original de la franchise. William Dozier, producteur de Batman, ainsi que le scénariste Lorenzo Semple Jr., ami d'enfance de Butler, collaborent étroitement avec lui sur l'adaptation télévisée du justicier masqué. Il travaille également à plusieurs reprises avec Glenn Gordon Caron, créateur de Clair de lune, dont il réalise le pilote fondateur.
L'art de poser les bases visuelles et tonales d'un univers narratif dès son premier épisode constitue le fil conducteur de l'ensemble de sa carrière. Le mélange des genres, entre humour, action et gravité, traverse une grande partie de ses réalisations les plus marquantes, de Batman à Hill Street Blues. Le réalisme social urbain, développé notamment dans Hill Street Blues, marque un tournant important dans son approche de la mise en scène télévisuelle vers la fin de sa carrière.