Filho de um famoso jurista brasileiro, Roberto Lyra, e de Sofia Lyra, Roberto Lyra Filho diplomou-se em Letras (Cambridge, 1942) e em Direito (Faculdade de Direito do Rio de Janeiro, 1949), quando já era jornalista e possuía relevante produção literária, quase toda sob o pseudônimo de Noel Delamare. Escreveu poesia e, com domínio de línguas, traduziu diversas obras.
Trabalhou como advogado no Rio de Janeiro, após sua graduação, onde também exerceu a função de Conselheiro Penitenciário.
Já em 1950, iniciou sua carreira docente, na Faculdade de Direito do Rio de Janeiro, onde lecionava Direito Penal, no cargo de professor-substituto. Posteriormente, assumiu a cátedra de Direito Processual Penal na Faculdade Brasileira de Ciências Jurídicas.
Em 1962 transferiu-se para nova capital, Brasília, e abandonou a advocacia para se dedicar exclusivamente à carreira acadêmica. Iniciou sua cátedra na Universidade de Brasília em 1963, primeiro como Professor Associado e depois como Professor Titular, até se aposentar, em 1984, quando se mudou para São Paulo. Lecionou tanto na graduação quanto na pós-graduação, nas áreas de Direito Penal, Direito Processual Penal, Criminologia, Filosofia Jurídica, Sociologia Jurídica e Direito Comparado. Ajudou a fundar o Centro Universitário de Brasília (CEUB).
Foi examinador na Universidade de São Paulo para concursos de livre-docência e titularidade, onde participou das bancas de Tércio Sampaio Ferraz Júnior e Celso Lafer.