Als Sohn einer Künstlerfamilie und als Schüler von Horace Vernet und Antoine-Jean Gros wandte Robert-Fleury sich der Historienmalerei zu und gehörte führend zu deren romantischer Richtung in Frankreich. Mit seinen historischen Gemälden — z. B. "Religionsgespräch in Poissy" (1840), "Galilei vor der Inquisition" (1847), "Karl V. in Yuste" (1856) — in zahlreichen Museen, Schlössern und öffentlichen Bauten fand er hohe Anerkennung. So war er Direktor der École des Beaux-Arts in Paris und der Académie de France in Rom.