Après une formation aux Beaux-Arts de Marseille, Robert Cantarella suit les cours d'Antoine Vitez à l'école du Théâtre national de Chaillot. En 1983, avec Grégoire Ingold, il crée le Théâtre du Quai de la gare à Paris où il poursuit en parallèle son travail d'acteur dans Ariakos, de Philippe Minyana, mis en scène par Jean Christian Grinevald et Christian Schiaretti, et de metteur en scène, avec Baal de Bertolt Brecht. puis en 1985, il fonde la Compagnie des Ours. En 1987, c'est la création d'Inventaires de Philippe Minyana, avec Florence Giorgetti, Judith Magre et Edith Scob. La pièce connaît un succès immédiat. Elle sera reprise la saison suivante au Théâtre Paris Villette et en tournée dans plus de cinquante villes en France et à l'étranger. Inventaires marque le début d'une amitié et d'un compagnonnage avec Philippe Minyana, dont Robert Cantarella montera successivement Les Petits Aquariums, en 1989puis Les Guerriers, en 1991. Ensemble, ils co-signent la mise en scène du Sang chaud de la terre, de Christophe Huysman, Particulièrement attaché aux auteurs contemporains, notamment à Christophe Huysman, Noëlle Renaude, Lars Norén et Michel Vinaver, il a également adapté à la scène Cervantes, et monté des classiques comme William Shakespeare, Tchekhov ou l'auteur expressionniste allemand, Georg Kaiser. Il a également créé plusieurs spectacles à l'étranger : à Lodz en Pologne, à Manille aux Philippines, à Rabat au Maroc, à Potsdam en Allemagne.Également cinéaste, Robert Cantarella est l'auteur d'un documentaire, Carrosserie. De juillet 2000 à décembre 2006, il dirige le Théâtre Dijon Bourgogne, Centre dramatique national, où il a créé des pièces de Thomas Bernhard, Alexandre Soukhovo-Kobyline, Michel Vinaver, Philippe Minyana, Jean Magnan, August Strindberg et Robert Garnier. Très éclectique, il passe aisément d'un univers à l'autre : durant la saison 2002-2003, on a pu voir deux mises de Cantarella, l'une représentant les puritains américains imaginés par Eugene O'Neill (Dynamo), l'autre des personnage faisant le récit de ce qu'il avait vu ou vécu durant le conflit algérien (Algérie 54-62). En 2004, il a créé Werther, un opéra de Jules Massenet. En 2005, il met en scène 11 September de Michel Vinaver, à Los Angeles, repris en juin 2006 au Théâtre national de la Colline à Paris. Par ailleurs, il codirige, avec Jean-Pierre Han, la revue Frictions, consacrée aux arts de la scène. En septembre 2005, il est nommé avec Frédéric Fisbach à la direction d'un lieu d'art qui ouvrira en 2008 : le 104, rue d'Aubervilliers à Paris.
