Bob Horvitz blev født i Chicago, Illinois. Hans mor var lærer, og hans far var revisor. Begge forældre indgød Horvitz en respekt og passion for at lære noget. Som barn vedligeholdt Horvitz en sommerfuglesamling, og han troede, at biologi bestod i at samle og klassificere døde ting. Han var en god elev og var interesseret i mange fag, herunder engelsk og journalistik. Han fik to bachelorgrader fra Massachusetts Institute of Technology, en i matematik og en i økonomi. Han overvejede at blive jurist, læge, forretningsmand og endda datalogi. Men fordi han ikke vidste noget om, og fordi han var fascineret af molekylærbiologi (Horvitz tog ikke biologikurser før sit sidste år på universitetet), kom han ind på en kandidatskole på Harvard University for at studere biologi.
Horvitz var interesseret i neurobiologi, men på grund af hans begrænsede erfaring med biologi i almindelighed begyndte han at arbejde med fager for at lære det grundlæggende. Horvitz var kandidatstuderende i James Watson og Walter Gilberts laboratorier, en oplevelse, som han fandt “interessant”. Efter sin doktorgrad i 1974 tog Horvitz til Medical Research Council i Cambridge for at arbejde sammen med Sydney Brenner.
Brenner var fortaler for et nyt modelsystem til at studere udvikling. Caenorhabitis elegans er en ikke-parasitisk rundorm, der er egnet til genetisk analyse, og som er let at dyrke og vedligeholde. Horvitz så fordelene ved C. elegans og brugte det til at studere en række udviklingssystemer, herunder neuronal udvikling, Ras-vejen og genetik af cellelinje. Programmeret celledød er kun et af de mange igangværende projekter i hans laboratorium.
I 1978 accepterede Horvitz en stilling i biologiafdelingen på Massachusetts Institute of Technology. Han er nu Whitehead-professor i biologi. Han har været forsker ved Howard Hughes Medical Institute siden 1988 og har vundet en række priser for sit arbejde, herunder Gairdner Foundation Award i 1999. Horvitz har været medlem af National Academy of Science siden 1991 og har siddet i en række redaktionsudvalg og rådgivende komitéer, både på statsligt og kommercielt plan. Han har en række patenter, der er under behandling, og som er baseret på arbejde udført i hans laboratorium. Horvitz er medstifter og formand for Idun Pharmaceuticals Inc. et biotekselskab med hovedsæde i La Jolla, Californien, der udvikler terapeutiske lægemidler med fokus på apoptose.
Horvitz nyder at læse i sin fritid, især britiske moderne romaner.
Horvitz delte i 2002 Nobelprisen i fysiologi eller medicin med kollegerne John Sulston og Sdyney Brenner. De har alle tre ydet store bidrag inden for udviklingsbiologi ved hjælp af modelorganismen Caenorhabditis elegans.