Grand admirateur de Céline, il obtint un succès considérable avec la publication de Voyage au bout de la nuit (1932) et Mort à crédit (1936), mais publia aussi ses pamphlets antisémites. En 1941, il faisait l’éloge de la noblesse de la haine propre à l'auteur de Bagatelle pour un massacre. Compromis sous l’Occupation et écarté de sa maison à la Libération, il fonda les éditions de la Tour où il édite une dizaine de livres avant sa mort.
Depuis leur création, les éditions Denoël avaient publié environ 700 titres.
Dimanche 2 décembre 1945. Robert Denoël, après une journée bien occupée, se rendait au Théâtre Agnès Capri, à Montparnasse, quand, à proximité de l’esplanade des Invalides, un pneu de sa voiture creva. Pendant qu’il entreprenait de changer la roue, Jeanne Loviton, sa maîtresse, qui l’accompagnait, alla demander un taxi au poste de police de la rue de Grenelle.
A 21h 30 un appel avertit le poste de police qu’un attentat venait d’avoir lieu. Les agents découvrirent le corps de Robert Denoël abattu d’une balle dans le dos. Transporté à l’hôpital Necker, il y mourut à 22 heures, sans avoir repris connaissance.
Des papiers importants - tel un dossier établissant le comportement collaborationniste de tous les éditeurs parisiens pendant la guerre, rédigé pour préparer sa défense dans un procès intenté à sa maison d'édition - et une valise contenant des pièces et des lingots d'or avaient disparu de sa voiture.
Les enquêtes de police menèrent à une parodie d’instruction qui se conclut par un énorme non-lieu. Ce dossier explosif s’était transformé en pétard mouillé, laissant à jamais les coupables impunis. Mieux, Jeanne Loviton, principale créancière de Robert Denoël, revendit 90% de la maison de Denoël à son concurrent le plus acharné, Gaston Gallimard, qui n’attendait que cela depuis quinze ans, ruinant Cécile Denoël, sa veuve.
Le 11 décembre, Robert Denoël fut inhumé dans un caveau provisoire du cimetière du Montparnasse (ligne 779 P, n° 1885). A l’époque, le cimetière du Montparnasse ne possédant pas de concessions disponibles, le provisoire perdura.
En 1953, la direction du service municipal des pompes funèbres de Paris avisa la famille que suite au dégagement de sépultures abandonnées, elle était autorisée à procéder à l’inhumation. Cette invitation étant restée sans suite, comme d’autres par la suite, en 1973 la direction des Pompes funèbres décida de transférer le corps de Robert Denoël «dans une tranchée gratuite», en clair, une fosse commune, du cimetière parisien de Thiais. Ses restes y furent déposés le 3 juillet 1973, sous la plaque n° 4327, dans la 90ème division, dorénavant dédiée aux défunts de confession musulmane, puis portés à l'ossuaire. Il n'eut jamais sa propre tombe.