Il est le frère du peintre-pastelliste Pierre Carrier-Belleuse et le fils du sculpteur reconnu Albert-Ernest Carrier-Belleuse dont il fut l'élève. À l'École des beaux-arts de Paris, il suit les leçons de Gustave Boulanger et d'Alexandre Cabanel.

Il reçoit un prix pour un tableau au Salon 1881 et est primé pour une sculpture au Salon 1889. Louis-Robert Carrier-Belleuse travaille à la Manufacture de Sèvres auprès de son père qui en était le directeur artistique depuis 1875. En 1877, il se forme à la céramique auprès de Théodore Deck et participe au concours de Sèvres en 1882. Il dessine des modèles pour la Faïencerie de Choisy-le-Roi dont il devient le directeur artistique en 1889.