В 1921 году окончил летную школу в Риме, в 1922 году - Миланский политехнический институт. После установления в Италии фашистского режима решением ЦК ИКП отправлен в СССР как авиационный инженер. Начав работу на Научно-опытном аэродроме ВВС в качестве лаборанта-фотопрограммиста, он стал экспертом технического бюро. В 1927 году Бартини был переведен в Севастополь в качестве начальника экспериментальной группы по проектированию гидросамолетов. Впоследствии группа была преобразована в отдел опытного морского самолетостроения. В следующем году он получает воинское звание комбриг (генерал-майор). В 1929 году за участие в подготовки межконтинентального перелета по Маршруту Москва-Нью-Йорк он был награжден почетной грамотой ВЦИК.
В 1928 Роберто Людовигович возглавил экспериментальную группу по проектированию гидросамолетов. Им был предложен проект 40-тонного морского бомбардировщика МТБ-2 и экспериментального истребителя "Сталь-6". Но в 1930 его группа вошла в состав ЦКБ, откуда Бартини был уволен. В этом же году он назначен главным конструктором ОКБ НИИ ГВФ. В 1933 году на его самолет "Сталь-6" установлен мировой рекорд скорости - 420 км/ч, на его базе был спроектирован истребитель "Сталь-8". Проект был закрыт в конце 1934 как не соответствующий тематике института. Осенью 1935 был создан 12-местный пассажирский самолет "Сталь-7" с крылом "обратная чайка". В августе 1939 на нем был установлен международный рекорд скорости на дистанции 5000 км - 405 км/ч. В конце 1935 был построен дальний арктический разведчик ДАР.
В конце 1937 года Роберто Бартини был арестован в связи с делом Тухачевского, который был хорошо знаком с авиаконструктором. В результате в феврале 1938 года по приговору суда он получил 10 лет заключения. До 1946 года он работал в одном из тюремных авиаконструкторских бюро, откуда вышел на свободу лишь в 1946 году. После освобождения, с 1948 по 1952 год Бартини - главный конструктор по гидроавиации в ОКБ МС главного конструктора Г.М. Бериева. Был разработчиком проектов транспортных и боевых самолетов, которые по ряду причин не были реализованы. В 1950 году по заданию ДОСААФ под руководством Р.Л. Бартини разрабатывается проект рекордного самолета для беспосадочного полета Москва-Северный полюс-Южный полюс-Москва протяженностью 40 тысяч километров.
В 1952 году его командируют в Новосибирск, где он назначается главным инженером в Сибирском НИИ им. С. А. Чаплыгина. Здесь в начале войны было организовано специальное ОКБ Р.Л.Бартини, разработавшее два проекта. "Р"- сверхзвуковой одноместный истребитель типа "летающее крыло" с крылом малого удлинения с большой переменной по размаху стреловидностью передней кромки, с двухкилевым вертикальным оперением на концах крыла и комбинированной жидкостно - прямоточной силовой установкой. Р-114 - зенитный истребитель-перехватчик с четырьмя ЖРД В.П.Глушко по 300 кгс тяги, со стреловидным крылом (33град по передней кромке), имеющим управление пограничным слоем для увеличения аэродинамического качества крыла. Р-114 должен был развивать невиданную для 1942 скорость М=2!
В 1956 Бартини был реабилитирован, а в в апреле 1957 г. направлен из СибНИА в ОКБС МАП в Люберцах (Подмосковье) для продолжения работы над проектом А-57. В последующие годы Р.Л. Бартини вел разработку проекта сверхзвукового пассажирского самолета среднего веса на 70 мест и рассматривал вопрос организации пассажирских перевозок сверхзвуковым транспортом. Реализацией идей Р.Л. Бартини стал проект противолодочного СВВП-амфибии ВВА-14. Всего же на счету Роберта Бартини более 60 законченных проектов самолетов. Награждён орденом Ленина (1967), Октябрьской Революции, медалями.