A virginiai Winchesterben született 1888. október 25-án.

A floridai Pensacola-támaszponton megtanult repülni, s az I. világháború végéig szolgált az USA haditengerészeténél, ki is tüntették. A háború után repülő-navigációs berendezések kifejlesztésén dolgozott, megtervezte az első hidroplános atlanti-óceáni repülést. Az óceánrepülésre épített kormányozható léghajókkal is foglalkozott. 1924-ben a D. B. MacMillan vezette, nyugat-grönlandi expedícióban egy tengerészeti repülőegység parancsnoka lett. Ezután határozta el, hogy elsőként elrepül az Északi- sarkra. Ez 1926. május 9-én történt meg - saját közlése szerint - a Floyd Bennett vezette gépet ő navigálta. A Spitzbergákról 15,5 óra alatt oda-vissza megjárták az utat, ezért megkapta az Kongresszus emlékérmét. (Byrd halála után Bernt Balchen azt állította: az utat nem tették meg - ám ez nem igazolható.) Byrd később együttműködött Ch. A. Lindbergh-gel, mielőtt az 1927-ben egyedül átrepülte az Atlanti-óceánt. Byrd ezt negyedmagával nyugatról keletre hajtotta végre 1927 júniusában, s a bretagne-i francia partokon kényszerleszállással ért földet. Ezért az útért megkapta a Becsületrendet, s a New York-i polgármester vitézségi érmét.

1928-ban bejelentette, hogy a levegőből kutatja végig az Antarktisz ismeretlen régióit, ehhez óriási támogatást kapott az amerikai társadalomtól. A költségeket 400 ezer dollárra becsülték. 1928 októberében indult el, s a Ross-jégen, a Bálna-öböl partján rendezkedtek be. A Little America bázisról indultak a repülők a kontinens fölé, felfedezték a Rockefeller-hegyláncot, s mögötte a Byrd feleségéről elnevezett Mary Byrd-földet a Nyugati Antarktiszon. 1929 novemberében - a déli félteke tavaszán - Byrd három társával elrepült a Déli-sarkra, majd vissza, összesen 19 óra alatt. Második expedíciója 1933-ban érkezett Little Americába.

1934 telén öt hónapot töltött egyedül, 196 km-el délre a bázistól, a Barrier-jég felszíne alatti kunyhóban a Bolling-bázison, 50-60 fokos hidegben. Betegen, fagyástól és szénmonoxid-mérgezéstől gyötörten találtak rá. Byrd még három kutatóutat vezetett, mint az amerikai kormány expedíciós vállalkozásainak igazgatója. Roosevelt elnök kérésére elvállalta az Antarktiszi Szolgálat parancsnokságát. A II. világháború elején bázisokat telepített Little Americánál és az Antarktiszi-félszigeten.

Felfedezte a Thurston-szigetet, s megnövelte a kontinens ismert partvonalának hosszát. A háború alatt a haditengerészetnél a csendes-óceáni szigetek hadműveleti lehetőségeit elemezte. Mint kiváló szervezőt több állami és társadalmi tisztséggel bízták meg.

1945 után a Magasugrás program vezetőjeként 1,4 millió km2 antarktiszi területet térképezett fel a Philipine Sea repülőgép-anyahajó fedélzetéről, s ismét átrepült a Déli-sark fölött. 1955-ben az USA antarktiszi programjainak parancsnoka lett, utolsó felfedező repülését Közép-Antarktisz felett hajtotta végre. Egyedül című könyvében leírta a Bolling-bázison átélt öt hónap tapasztalatait.