Роберт Штильмарк родился 3 апреля 1909 года в Москве в семье инженера Александра Александровича Штильмарка. В 1929 году окончил Высший литературно-художественный институт имени В. Я. Брюсова. В том же году женился на Евгении Белаго-Плетнер. Евгения была специалистом по экономике Японии, в начале 1920-х годов работала в Японии с первым мужем, дипломатом. Вскоре у них родился сын Феликс, будущий эколог и биолог.

Штильмарк работал референтом и заведующим отделом скандинавских стран во Всесоюзном обществе культурных связей с заграницей (ВОКС). Впоследствии был журналистом-международником в газете «Известия», в ТАСС, работал редактором в журналах «Иностранная литература», «Молодая гвардия». В литературе дебютировал в середине 1920-х годов, издав сборник стихов "Кинжал", а в 1932 году опубликовал книгу очерков "Осушение моря" (1932).

В 1936 году Акбулак стал центром наблюдения полного солнечного затмения. Это астрономическое явление редкое, и представляет особый интерес у астрономов. По этому поводу в Акбулаке работали советские и иностранные астронавты. Наблюдать солнечное затмение и освещать его в средствах массовой информации приехало много советских и иностранных корреспондентов. В составе советских журналистов был Р.А. Штильмарк.

О своей поездки в Акбулак Р. Штильмарк описал в романе-хронике «Горсть света». Книга написана от третьего лица, но ее главный герой — Рональд Алексеевич Вальдек — повторяет во всех деталях сложный жизненный путь самого автора.

Отрывок из романа, в котором описывается солнечное затмение (с некоторыми сокращениями) был напечатан в журнале «Вокруг света» лишь в 80-е годы, а весь роман был впервые опубликован в 2001 году в четырехтомном собрании сочинений Р.А. Штильмарка.

С 1937 года — научный сотрудник и преподаватель кафедры иностранных языков Военной академии им. В. Куйбышева.

Во время Великой Отечественной войны был помощником командира разведроты. Получил ранение в боях под Ленинградом. В 1942 году после тяжёлого ранения и контузии был направлен преподавателем в Ташкентское пехотное училище, затем переведён в Москву, преподавал на Высших командных курсах РККА. В 1943 году он окончил Ленинградское Краснознамённое военно-топографическое училище, был старшим преподавателем военной топографии. В звании капитана служил в Военном топографическом управлении Генштаба. За боевые заслуги получил награды: орден Отечественной войны 1 степени, орден Красной Звезды, медаль «За отвагу», медаль «За оборону Ленинграда».

В апреле 1945 года Штильмарк был арестован по обвинению в «контрреволюционной агитации» и приговорён к 10 годам заключения. Был направлен в Енисейский исправительно-трудовой лагерь. В лагере работал топографом, затем — заведующим литературной частью лагерного театра. В заключении он написал свой самый известный приключенческий роман «Наследник из Калькутты», по заказу криминального авторитета Василевского, который надеялся послать Сталину роман под своей фамилией и получить за это амнистию. Написание романа заняло год и 2 месяца, он был закончен 15 июля 1951 года. Василевский на всякий случай подписал текст двумя фамилиями — своей и Штильмарка, и отправил роман в Москву сыну писателя. По дороге в Москву рукопись где-то затерялась, и только после долгих поисков Феликсу Робертовичу удалось её отыскать. Роман получил восторженные отзывы нескольких известных писателей, в том числе Ивана Ефремова. Впервые опубликован в 1958 году, сразу же выдержал несколько переизданий (Иркутск, Алма-Ата). Новая волна интереса к роману пришлась на 1989—1993 годы. Василевский, также освобождённый по амнистии, попытался отсудить себе половину гонораров, но оказалось, что Штильмарк предусмотрительно встроил в одну из глав романа шифрованный текст, доказывающий его авторство.

Писатель был освобожден в 1953 году, поселился сначала в Енисейске. Полностью реабилитирован в 1955 году, далее жил в Москве.

Роберт Александрович, несмотря на постоянное безденежье и необычайную трудоспособность, относился ко всему, что выходило из-под его пера, с необычайной требовательностью, вследствие чего бо́льшая часть задуманного им не была завершена и осталась либо в черновиках, либо в памяти слушателей (Штильмарк был великолепным рассказчиком). Среди наиболее известных произведений Р. А. Штильмарка можно выделить романы «Драгоценный камень Фероньеры», «Коптевский барин», повести о художниках П. Д. Корине и М. В. Нестерове. Неопубликованными остались повести «Подвиг любви» (о В. И. Дале) и «Крылатый пленник» (др. название: «Истребитель ищет боя», о бежавшем из фашистского плена заслуженном летчике В. А. Валантэе.

Роберт Штильмарк скончался 30 сентября 1985 года. Похоронен на Введенском кладбище в Москве.

• Штильмарк Роберт Александрович / Авт.-сост. Т.И. Крохмаль // Таланты земли Акбулакской. Вып.2. - Акбулак: Редакция газеты «Степные зори», 2015. - С. 85.
• Ященко, А «Затмение»: [Из истории родного края. Сов.-амер. экспедиция с участием писателя и журналиста Р.А. Штильмарка] / А.Ященко //Степные зори. – 1990. - 15 мая.
• Штильмарк, Р. Солнечное затмение:[Отр. из романа-хроники «Горсть света»] / Публ. и предисл. Ф.Р. Штильмарка // Вокруг света. - 1990. - № 4. - С.31-32.