Egy anglikán lelkész fia volt. Fiatalon sokat betegeskedett, megkapta és túlélte a himlőt, de testi és lelki sebei élete végéig megmaradtak. Oxfordban szegénysége miatt is sok megaláztatásban volt része, végül azonban kiváló mechanikai érzéke révén Robert Boyle asszisztense lett. Egyes feltételezések szerint ő fogalmazta meg a Boyle-törvényt, az azonban biztos, hogy a légpumpa megtervezésében döntő érdemei voltak.
A rugókat tanulmányozva felfedezte a róla elnevezett törvényt, amely szerint egy rugalmas test alakváltozása arányos a testre ható erővel. Megsejtette a fény hullámtermészetét, majd a csillagászat területére kalandozva felfedezte, hogy a Gamma Arietis valójában kettőscsillag. Felfedezte a nóniuszleolvasást, feltalálta a libellát és a mikrométert, az 1666-os nagy londoni tűzvész után segített London újjáépítésében.
Találmányai közé tartozik a gépjárművekben máig használatos egyetemes tengelykapcsoló és az íriszrekesz, amely a fényképezőgépek alapvető alkotórésze, hozzájárult az órák tökéletesítéséhez (honfitársai őt tartják az ingaóra feltalálójának.
Legnagyobb sikerét az 1665-ben megjelent Micrographia című, gazdagon illusztrált munkája aratta. Ebben az általa tervezett többlencsés mikroszkóppal a szemmel láthatatlan parányok világában végzett megfigyeléseit adta ki, a pontos és mégis művészi, sőt szépséges rajzok elbűvölték a közönséget. Hooke fedezte fel a növények kis kamráit, amelyeket sejteknek, azaz celláknak nevezett el, mert a szerzetesek celláira emlékeztette. Azt is kiszámította, hogy egy négyzethüvelyknyi parafa 1 milliárd 259 millió 712 ezer sejtet tartalmaz, ekkora számot tudományos műben addig nem írtak le.
Hooke huszonnyolc évesen már a Royal Society tagja, 1677-től pedig titkára volt, sőt − a társaság egyetlen fizetett alkalmazottjaként − ő lett a bemutatott kísérletekért felelős kurátor. Óriási befolyását nem egyszer használta fel ellenségei, vagy azok ellen, akiket ellenségének tekintett − Hooke ugyanis nem csak zseniális, de hírhedten összeférhetetlen és veszekedős volt tudósnak és embernek egyaránt. Mivel a tudomány számtalan területét kutatta, többé-kevésbé megalapozottan állíthatta mások kidolgozottabb és eredményeiről, hogy ő azokat már sejtette vagy megjósolta.
Leghíresebb és legelkeseredettebb vitapartnere a legalább annyira kiállhatatlan Newton volt, akivel a bolygók ellipszis alakú keringési pályáján vesztek össze. Hooke ugyanis azt állította, hogy megfejtette a titkot, de nem árulja el, hogy ne fosszon meg másokat a felfedezés örömétől. Newton, aki viszont valóban kiszámolta a törvényt, ezen megsértődött és sokáig nem adta ki a fizika történetében mérföldkövet jelentő Principia harmadik, legfontosabb kötetét.
Ellenségeskedésük odáig fajult, hogy Newton, aki a Royal Society elnöke lett, még Hooke halála után is próbálta kisebbíteni riválisa érdemeit. Holott éppen ő írta annak idején Hooke-nak a szállóigévé lett mondatot: "Ha én messzebbre tekintettem, mint mások, csak azért volt, mert óriások vállain álltam".