Robert Toulemon étudie le Droit à Toulouse (1944) avant de terminer sa licence à Paris et d’obtenir le diplôme de l’Institut d’études politiques (1949). Il est ensuite reçu à l’Ecole nationale d’administration (1950-1953) d’où il rejoint l’Inspection des Finances comme adjoint (1954) puis inspecteur (1956). Par la suite, il est nommé chargé de mission à la direction générale des Prix et des enquêtes économiques (1958), conseiller technique au cabinet du ministre des Finances et des Affaires économiques (1958), maître de conférences à l'Institut d'études politiques de Paris (1958-1960), conseiller technique au cabinet du secrétaire d'Etat aux Affaires économiques (1959-1960), chef de section à la direction des Relations économiques extérieures (1960-1962). A ce poste, il est rapporteur de la commission des Exportations puis chef du secteur du crédit et des garanties à l’exportation, ce qui l’amène à entrer en contact avec les milieux européens de Bruxelles. Il milite également au Club Jean Moulin où il est l'un des avocats de la cause européenne. En 1962, il devient le chef de cabinet du vice-président de la Commission de la CEE, Robert Marjolin. En 1963, il prend la direction Europe occidentale - Association avec les pays tiers au sein de la direction générale des Relations extérieures. Il y est chargé de l’association de la Grèce et de la Turquie, des négociations avec l’Espagne et l’Autriche, des contacts avec la Zone de libre-échange ainsi que du rapport de la Commission sur la deuxième candidature britannique. Après la fusion des exécutifs, en 1968, il reçoit la direction générale des Affaires industrielles, technologiques et scientifiques. A ce titre, il gère notamment l'intégration des services issus de la CECA et de l’Euratom.
Robert Toulemon quitte la Commission en 1973 et se dédie à de nombreuses hautes fonctions: professeur à l'Institut d'études politiques de Paris (1974-1980), directeur de cabinet de Pierre Abelin, ministre de la Coopération (1974-1976), chargé de mission au cabinet d'André Fosset, ministre de la Qualité de la vie (1976), inspecteur général des finances (1977), président-fondateur de l'Association française d'études pour l'Union européenne (AFEUR) (à partir de 1974), président de la Commission interministérielle des comptes du patrimoine naturel (depuis 1978), membre de la Commission supérieure des monuments historiques (1978-1985), administrateur de Radio-France-Outre-mer (1983-1986), de la Fédération nationale des associations de sauvegarde des sites et des monuments (1978-1988), du Museum national d'histoire naturelle (depuis 1986). Il est officier de la Légion d'honneur. Membre et Administrateur (depuis 1996) et Président (1998-2000) de l'association Jean Monnet.
Publications : "Une Politique industrielle pour l'Europe" (avec Jean Flory), 1974 ; "Oser le dire" (en collaboration), 1986 ; "Aimer l’Europe" (préface de Michel Albert), 2007 ; "Carnets européens. Souvenirs d'Europe 1950-2005" (2013).