Suite à plusieurs drames familiaux, son beau-frère, Pierre Henneguier, journaliste à Ce Soir, le quotidien d'Aragon, soutien de l'Espagne républicaine, se trouva à jouer le rôle de chef de famille, et devint le modèle inspirateur de Robert pendant la campagne de France puis après l’armistice quand il s’engagea dans une action de résistance. Robert voulut de suite en être.
Refusant toute compromission avec les studios de la Continental-Films, financée par des capitaux allemands, il fut l’un des rares acteurs français à en claquer la porte. Il suivit Henneguier à Marseille où ils montèrent une société de transport par camions, Azur-Transport, qui servait de couverture pour stocker des armes et transporter du matériel destiné aux premiers réseaux clandestins. Alors qu’il accomplissait ses premières missions, il décrocha un contrat dans une modeste production française au titre symbolique : Espoirs,…(1940).
L’année suivante, appelé aux Chantiers de Jeunesse, puis choisissant de faire partie des tournées théâtrales de Jean-Pierre Aumont, il intégra le réseau de Résistance « Alliance » à l’annonce de l’arrestation d’Henneguier.
Appartenant désormais une organisation clandestine structurée, capable de l'employer à de multiples missions sur tout le territoire, il devint un agent de liaison très efficace, sous le nom de l’Aiglon. Chargé du recueil de renseignements sur l'occupant, du transport de courrier et d'émetteurs-récepteurs et du recrutement, malgré tous les risques de cette activité, c’est davantage son engagement remarquable que des actions d'envergure exceptionnelle qu’il faut souligner. Ils furent des milliers dans ce cas. En 1942, il tourna son dernier film, Cap au large.
Son destin bascula en même temps que celui du secteur marseillais d’Alliance démantelé. Arrêté à Cassis, torturé, puis transféré en Allemagne et condamné à mort, il fut exécuté dans la forêt du Hardtwald, près de Karlsruhe, avec treize camarades du réseau. Il avait vingt-trois ans.
Jetés dans une fosse commune à l’extérieur de l’enceinte du cimetière central de Karlsruhe, l'armée française découvrit leurs corps en mai 1945. Inhumés avec les honneurs militaires dans le cimetière français, ils furent transférés en France en juillet 1947. Depuis, Robert Lynen repose au cimetière de Gentilly. Sa tombe se trouve dans le carré militaire.
A l’occasion du 70ème anniversaire de leur mort, une stèle a été inaugurée à Karlsruhe le 1er avril 2014 pour commémorer leur sacrifice.