D’abord élève d’Antoine Vitez au Théâtre National de Chaillot, Robert Cantarella monte en 1987 « Inventaires » de Philippe Minyana, qui marque le début d’un compagnonnage avec cet auteur. À partir de 1989, il travaille à la création de pièces de Noëlle Renaude, Cervantès, Roland Fichet, Anton Tchekhov, Thomas Bernhard, Shakespeare, Michel Vinaver, August Strindberg... En 1997, Cantarella rédige un manifeste pour une formation à la mise en scène. En plus de son travail de metteur en scène, il prend en 2000 la direction du Centre Dramatique National de Dijon, puis en 2005 celle du CENTQUATRE (jusqu’en 2010).