Tėvai: Antanas Matulionis (1875–1941) – tarnautojas raštininkas ir Teofilija Sklėriūtė-Baronienė-Matulionienė (1874–1941) – žemdirbė ūkininkė, abu nužudyti kartu su žydais vokiečių okupacijos pradžioje 1941 m. liepą. Augo su seserimi iš motinos pirmosios santuokos Anatolija Baronaite-Poletajeva (1901–1962) – valstybės tarnautoja ir keturiais broliais, buvo iš jų vyriausias. Broliai: Algirdas Matulionis (1911–1980) – miškininkas, Eduardas Matulionis (1912–1987) – tarnautojas, Alfonsas Matulionis (1916–1983) – tarnautojas ir Petras Matulionis (1919–2000) – tarnautojas, inžinierius. Dėdės (motinos broliai) Kajetonas Sklėrius (1876–1932) – dailininkas, Alfonsas Sklėrius (1890–1943) – kariškis, Povilas Sklėrius (1898–1979) – mokslininkas inžinierius, pusseserė (motinos sesers duktė) Elena Viktorija Nakaitė-Arbienė (1915–2011) – rašytoja, pusbrolis (tėvo brolio sūnus) Jonas Kastytis Matulionis (1931–2015) – kunigas, dainininkas, disidentas Lietuvos katalikų bažnyčios kronikos leidėjas.

Tėvams kraustantis vis į kitą gyvenamą vietą, kur gaudavo tarnybą, nuo 1911 m. augo Židikuose (Mažeikių r.), nuo 1912 m. – Liepojoje (Latvija), o traukiantis į Rytus nuo Pirmojo pasaulinio karo fronto, nuo 1915 m. gyveno Sankt Peterburge (Rusija), 1918–1920 m. – Orienburge, kol 1920 m. su šeima grįžo į Lietuvą ir apsistojo Kunigiškiuose.

1931 m. Kėdainiuose baigė aukštesniąją kultūrtechnikų mokyklą, įgijo kultūrtechniko specialybę.

1931–1940 m. R. Matulionis dirbo kultūrtechniku. 1935–1937 m. jis kartu studijavo Kauno Vytauto Didžiojo universitete ekonomiką.

1936-1940 m. jis dalyvavo nelegalioje komunistinėje veikloje Kaune ir Svėdasų (Anykščių r.) apylinkėse. Kartu su kitais ji įkūrė pogrindinę studentų draugiją "Scientia", platino komunistinę literatūrą, materialiai rėmė revoliucinį judėjimą.

Pirmosios sovietinės okupacijos laikotarpiu 1940–1941 m. R. Matulionis dirbo Lietuvos Žemės ūkio liaudies komisariato Melioracijos valdyboje inspektoriumi, buvo tos valdybos viršininkas.

Prasidėjus Antrajam pasauliniam karui, jis kartu su broliais pasitraukė į Rytus, gyveno Rusijoje, 1942–1944 m. buvo Raudonosios armijos 16-osios lietuviškosios divizijos karys, 1943 m. baigė Podolsko (Rusija) karo mokyklą.

1944 m. jis grįžo į Lietuvą, dirbo Lietuvos SSR Žemės ūkio ministerijos Melioracijos ir Elektrifikacijos valdybose, kontoroje "Melioracija", Lietuvos SSR Ministrų tarybos Vyriausiojoje melioracijos valdyboje.

1954–1957 m. R. Matulionis buvo Lietuvos SSR statybos ministro pavaduotojas. 1957–1965 m. jis dirbo Lietuvos SSR Ministrų tarybos Melioracijos valdyboje, Respublikiniame susivienijime "Lietuvos žemės ūkio technika", Valstybiniame melioracijos komitete.

Nuo 1965 m. jis buvo Melioracijos ir vandens ūkio ministerijos Melioracijos darbų kokybės kontrolės skyriaus viršininkas.

R. Matulionis parašė brošiūrų melioracijos klausimais: "Dirvožemių melioracija : iš Biržų rajono kolūkio "Tarybinė žemė" patyrimo" (1952 m.) ir kt.

Laisvalaikiu mėgo fotografuoti, lankėsi teatre ir koncertuose.

Buvo vedęs, žmona Zinaida Matulionienė (1919–2001). Užaugino 2 (3) vaikus. Sūnūs: Viktoras Matulionis (1945–2013), Algis Matulionis (g. 1947 m.) – teatro ir kino aktorius, teatro ir televizijos režisierius.

Mirė 1990 m. Vilniuje. Palaidotas Vilniaus Sudervės kapinėse (19 sektorius, 1 eilė, 3 kapas). Kapą ženklina pilko akmens horizontalus paminklas-stela su centre išskobtu koplytstulpio bareljefu ir abipus iškaltais įrašais: "Zinaida / Matulionienė / 1919–2001" ir "Viktoras / Matulionis / 1945–2013 / Robertas / Matulionis / 1910–1990".