Университет штата Мичиган
В подростковом возрасте родители брали Роберта в палеонтологические экспедиции в Вайоминг и Южную Дакоту, посвящённые поиску ископаемых остатков позвоночных. После окончания школы Роберт поступил в Университет штата Мичиган, где получил в 1959 году степень бакалавра геологии. Далее он изучил биологию и палеонтологию под руководством в Гарварде. Докторская диссертация Кэрролла была посвящена палеозойским амфибиям из семейства диссорофид ("Dissorophidae").