Bob Horvitz föddes i Chicago, Illinois. Hans mor var lärare och hans far var revisor. Båda föräldrarna ingav Horvitz en respekt och passion för lärande. Som barn upprätthöll Horvitz en fjärilssamling och trodde att biologi innebar att samla in och klassificera döda saker. Han var en duktig elev och intresserad av många ämnen, bland annat engelska och journalistik. Han fick två grundexamina från Massachusetts Institute of Technology, en i matematik och en i ekonomi. Han funderade på att gå in i juridik, medicin, affärsverksamhet och till och med datavetenskap. Men eftersom han inte visste något om och fascinerades av molekylärbiologi (Horvitz läste inga biologikurser förrän under sitt sista år på universitetet) gick han in på en forskarskola vid Harvard University för att studera biologi.
Horvitz var intresserad av neurobiologi, men på grund av sin begränsade erfarenhet av biologi i allmänhet började han arbeta med fager för att lära sig grunderna. Horvitz var doktorand i James Watsons och Walter Gilberts laboratorier, en erfarenhet som han fann ”intressant”. Efter sin doktorsexamen 1974 gick Horvitz till Medical Research Council i Cambridge för att arbeta med Sydney Brenner.
Brenner förespråkade ett nytt modellsystem för att studera utveckling. Caenorhabitis elegans är en icke-parasitisk rundmask som lämpar sig för genetisk analys och är lätt att odla och underhålla. Horvitz såg fördelarna med C. elegans och använde det för att studera ett antal utvecklingssystem, bland annat neuronal utveckling, Ras-vägen och genetiken av cellinjer. Programmerad celldöd är bara ett av de många pågående projekten i hans laboratorium.
1978 accepterade Horvitz en tjänst vid biologiska institutionen vid Massachusetts Institute of Technology. Han är nu Whitehead professor i biologi. Han har varit forskare vid Howard Hughes Medical Institute sedan 1988 och har fått ett antal utmärkelser för sitt arbete, bland annat Gairdner Foundation Award 1999. Horvitz har varit medlem av National Academy of Science sedan 1991 och sitter i ett antal redaktionsgrupper och rådgivande kommittéer, både statliga och kommersiella. Han har ett antal patent på gång som bygger på arbete som utförts i hans laboratorium. Horvitz är medgrundare och ordförande för Idun Pharmaceuticals Inc, ett bioteknikföretag med säte i La Jolla, Kalifornien, som utvecklar terapier med fokus på apoptos.
Horvitz läser gärna på sin fritid, särskilt brittiska samtidsromaner.
Horvitz delade 2002 års Nobelpris i fysiologi eller medicin med kollegorna John Sulston och Sdyney Brenner. Alla tre gjorde viktiga bidrag inom området utvecklingsbiologi med hjälp av modellorganismen Caenorhabditis elegans.