Nato appena fuori Parigi, Tony Robert-Fleury studiò pittura prima con suo padre Joseph-Nicolas Robert-Fleury e poi sotto la guida di Hippolyte Delaroche e Léon Cogniet.
Nel 1866 al Salon espose la sua prima opera dal titolo Il massacro di Varsavia dell'8 aprile 1861. L'anno seguente i suoi dipinti Vecchie signore a Piazza Navona e L'ultimo giorno di Corinto furono acquistati dal Luxembourg Museum. Sempre per il Luxembourg Museum dipinse un soffitto rappresentante La glorificazione della scultura francese.
Tony Robert-Fleury divenne in seguito presidente della Société des artistes français, succedendo a William-Adolphe Bouguereau, a fianco del quale insegnò all'Académie Julian, dove ambeue erano professori titolari.
Le sue composizioni e i suoi ritratti storici gli procurarono una notevole fama. Nel suo atelier, infatti, si formò un gran numero di pittori del XX secolo quali: Marie Bashkirtseff, Jean Alfred Marioton, Eugène Lomont, Amélie Lundahl e molti altri.
Nel 1908 Robert-Fleury venne eletto presidente della Fondazione Taylor, carica che ricoprì per tutta la vita.
Morì l'8 dicembre 1911 all'età di 74 anni nella cittadina di Viroflay, non lontano da Parigi.