Roberto Burle Marx wurde am 4. August 1909 in São Paulo geboren. Sein Vater, Wilhelm Marx, war ein jüdischer Kaufmann aus Trier, der 1898 nach Brasilien auswanderte. Seine Mutter war Cecilia Burle, eine Brasilianerin aus der oberen Gesellschaftsschicht mit französisch-holländischen Vorfahren.

1913 übersiedelte die Familie nach Rio de Janeiro. Die Eltern legten viel Wert auf eine europäische Ausbildung ihrer Kinder. Deshalb reiste die ganze Familie im Jahr 1928 nach Deutschland, um den Kindern ein „cultural bath“ zu geben, wie es Wilhelm Burle Marx ausdrückte.
Es war die Zeit der Weimarer Republik und Berlin war eine der aufregendsten Metropolen Europas, besonders in künstlerischer Hinsicht. In diesem kreativen Umfeld reifte in Roberto der Wunsch selbst Künstler zu werden. Neben seinen regelmäßigen Besuchen der Museen und Galerien Berlins erkundete er auch den Botanischen Garten in Dahlem. Burle Marx, der sich bereits seit seinem siebten Lebensjahr mit Pflanzen beschäftigte, war vor allem von der Sammlung seltener brasilianischer Pflanzen überwältigt:

"[...] ich liebte die Pflanzen, damals in Deutschland entdeckte ich in den großen Glashäusern des Botanischen Gartens verschiedene brasilianische Pflanzen die mir unbekannt waren. Bei dieser Gelegenheit fragte ich mich, warum diese Arten hier [Brasilien] nicht bekannt waren.“
Burle Marx, Roberto zit. aus: Araujo, Artur: Equilíbrio perfeito com a Natureza, Interview veröffentlicht in: Última Hora. Rio de Janeiro 4. Aug. 1989. Ins Deutsche übersetzt vom Autor.

1929, kehrte Burle Marx nach Rio de Janeiro zurück. Ab 1930 besuchte er Kunsthochschule von Rio de Janeiro. Zuerst studierte er Architektur, aber sein Freund der Architekt Lúcio Costa überredete ihn zur bildenden Kunst zu wechseln. Burle Marx kam während dieser Zeit mit Vertretern der jungen Architektur-Avantgarde in Kontakt (Oscar Niemeyer, Jorge Machado Moreira, Marcelo und Milton Roberto,Gregori Warchavchik, etc.)

1932 engagierte ihn Lúcio Costa für die Gestaltung des Dachgartens des Alfredo Schwartz Hauses, einem gemeinsamen Projekt mit Gregori Warchavchik. Burle Marx präsentierte eine zu der damaligen Zeit völlig neue, revolutionäre Formensprache. Die geglückte Kombination des weißen, nüchternen Baus und die kraftvolle, farbenfrohe und plastische Gestaltung des Dachgartens, fand viel Beachtung.
Der Erfolg bescherte ihm 1934 eine Stellung als Direktor der Park- und Gartenverwaltung in Recife, Pernambuco, wo er sich vor allem der Revitalisierung der öffentlichen Parks und Plätze aus dem 19.Jhdt. widmete.

1936 kam Le Corbusier nach Brasilien, um als Konsulent gemeinsam mit brasilianischen Architekten wie Lúcio Costa, Affonso Reidy, Oscar Niemeyer, etc. an der Planung für das Ministério de Educação e Saúde in Rio de Janeiro mitzuarbeiten. Burle Marx, 1937 aus Recife zurückgekehrt, arbeitete als Assistent von Cándido Portinari, an der Schaffung eines Wandgemäldes für den Ministeriumsneubau. Auf Vorschlag von Lúcio Costa wurde Burle Marx 1938 mit der Gestaltung des Dachgartens und der Terrasse beauftragt. Das Gebäude wurde zu einem Meilenstein der modernen brasilianischen Architektur und Landschaftsarchitektur.

Burle Marx gründete im Jahr 1943 sein erstes Büro, Burle Marx & Cía. Anfänglich arbeitete Burle Marx meist an der Gestaltung von privaten Gärten (z.B.: Odette Monteiro Residence, 1948; Olivo Gomes Estate, 1950). Mit der Zeit wurden die Projekte jedoch immer umfangreicher. Vor allem Rio de Janeiro drückte er mit Großprojekten wie der Gestaltung des Parque do Flamengo (1954) oder der Copacabana (1970) seinen künstlerischen Stempel auf. Burle Marx war auch an der Gestaltung der neuen brasilianischen Hauptstadt Brasília (1961-1970) maßgeblich beteiligt.

Das Hauptwerk von Burle Marx ist aber zweifellos die Sítio Santo Antônio da Bica in Campo Grande, Rio de Janeiro. Er erwarb diesen großen Landsitz im Jahre 1949 und betrieb auf dem Gelände eine Gärtnerei und Baumschule. Die Sítio war auch Wohnsitz, Atelier und wurde Heimat für seine immense botanische Sammlung vorwiegend brasilianischer bzw. südamerikanischer Pflanzen, die Burle Marx auf seinen ausgedehnten Expeditionen sammelte.

Burle Marx der im Laufe seiner Karriere an mehr als zweitausend Projekten arbeitete, war neben seiner Tätigkeit als Landschaftsarchitekt, auch Maler, Bildhauer, Designer, ausgewiesener Experte der südamerikanischen Flora und einer der ersten der zu ihrem Schutz aufrief.

Roberto Burle Marx arbeitete bis zu seinem Tod am 4. Juni 1994 an neuen Projekten. Nach seinem Tod übernahm der Landschaftsarchitekt und langjähriger Sozius Haruyoshi Ono die Leitung der Burle Marx & Cía. Ltda.