Родился 14 ноября 1925 г. в г. Тифлисе (ныне Тбилиси, Грузия). Его отец, Александр Романович Медведев (1899-1941), был армейским политработником, заместителем заведующего кафедрой диалектического и исторического материализма Военно-политической академии им. В. И. Ленина в Москве. В 1938 г. отца репрессировали, он скончался в заключении в 1941 г. Мать – Юлия Исааковна Медведева, была виолончелисткой. Родители назвали Роя Медведева в честь одного из основателей компартии Индии Манабендры Роя.
В 1951 г. Рой Медведев окончил философский факультет Ленинградского государственного университета им. А. А. Жданова (ныне Санкт-Петербургский государственный университет).
В 1958 г. в Московском государственном педагогическом институте им. В. И. Ленина защитил диссертацию на соискание степени кандидата педагогических наук по теме "Производительный труд учащихся старших классов в промышленности и проблема производственной специализации".
Доктор педагогических наук.
В 1943-1946 гг. служил в Вооруженных силах СССР во вспомогательных частях тылового обеспечения в Тбилиси, в боевых действиях участия не принимал.
В 1951–1954 гг. работал учителем средней школы в Свердловской области, затем в 1954-1957 гг. - директором семилетней школы в Ленинградской области.
С 1958 по 1961 г. занимал должность редактора, затем - заместителя главного редактора издательства Учпедгиз РСФСР (ныне - издательство "Просвещение").
В 1959 г. вступил в Коммунистическую партию Советского Союза (КПСС).
В 1961-1970 гг. - старший научный сотрудник, затем - заведующий сектором Научно-исследовательского института производственного обучения Академии педагогических наук СССР.
С начала 1960-х гг. занимался общественной деятельностью, издавал самиздатский машинописный журнал "Политический дневник" (1964-1970). Являлся одним лидеров социалистического крыла в диссидентском движении.
В 1969 г. Рой Медведев был исключен из коммунистической партии за рукопись книги "К суду истории: генезис и последствия сталинизма". 19 марта 1970 г. вместе с академиком Андреем Сахаровым, физиком Валентином Турчиным отправил открытое письмо руководителям компартии и правительства СССР, в котором говорилось о необходимости "демократизации общественной жизни в стране" для "сохранения и укрепления советского социалистического строя".
В 1971 г. у Медведева был проведен обыск, изъят его архив. После этого публицист на некоторое время уехал из Москвы и жил в Прибалтике.
В начале 1970-х гг. первые книги Роя Медведева (в том числе написанные совместно с братом Жоресом) были опубликованы в США и Великобритании. В 1970-1980-е гг. Рой Медведев продолжал заниматься публицистической деятельностью, жил на гонорары от зарубежных изданий своих работ. В 1975-1976 гг. совместно с братом издавал альманах "XX век. Голоса социалистической оппозиции в Советском Союзе" (публиковался за рубежом).
В 1989 г. по собственной просьбе был восстановлен в КПСС.
В 1989–1991 гг. - народный депутат СССР, был избран от Ворошиловского территориального избирательного округа Москвы. Являлся депутатом Верховного Совета (ВС) СССР, был членом Комитета ВС СССР по вопросам законодательства, законности и правопорядка.
В 1990-1991 гг. - член Центрального комитета КПСС (избран в ЦК на XXVIII съезде партии в июле 1990 г.), входил в комиссию по разработке новой партийной программы.
В сентябре 1991 г. на V Съезде народных депутатов СССР выступил против запрещения компартии. Не признал правомочности роспуска Съезда народных депутатов СССР, в 1992 г. участвовал в работе т. н. VI Чрезвычайного съезда, который пытались провести около 200 экс-депутатов.
В декабре 1991 г. был избран сопредседателем Социалистической партии трудящихся (СПТ, ныне партия не действует).
Осенью 1993 г. был включен в список кандидатов в депутаты Государственной думы РФ I созыва от блока "Отечество" (СПТ, Союз нефтепромышленников, Союз казаков и Союз возрождения России). Однако блок не собрал 100 тыс. подписей, необходимых для участия в выборах.
В дальнейшем продолжил писать историко-публицистические книги.
Отмечен Почетной грамотой правительства РФ (2010).
Лауреат премии ФСБ России 2007 г. за книгу "Андропов" (серия "Жизнь замечательных людей").
Автор более 50 книг, в том числе "К суду истории: генезис и последствия сталинизма" (1971 - на англ. яз.; 1974 - на русск. яз.), "Хрущев. Политическая биография" (1986), "Личность и эпоха. Политический портрет Л. И. Брежнева" (1991), "Юрий Лужков и Москва" (2008), "Дмитрий Медведев: двойная прочность власти" (2009), "Время Путина" (2014), "Социализм и капитализм в России" (2017) и др.
Женат, есть сын. Супруга – Галина Гайдина (род. 1928), доктор медицинских наук, эндокринолог. Сын, Александр (род. 1961), по образованию химик, занимается предпринимательской деятельностью.
Брат-близнец Роя Медведева - Жорес, биохимик, генетик, геронтолог и публицист, с 1973 г. жил в эмиграции в Великобритании. Скончался в 2018 г.