Рой Ликтенстайн вырос в Верхнем Вест-Сайде, в еврейской семье, принадлежавшей к среднему классу. В 1940 г. окончил частную школу Дуайт и поступил в Университет Огайо, где изучал изобразительное искусство. Его обучение было прервано на три года, пока он служил в армии США во время и после Второй Мировой войны  (1943-46).

После демобилизации Ликтенстайн окончил университет и остался там на преподавательской должности в течение следующих десяти лет. В 1949 г. он получил степень магистра изящных искусств, в 1951-м состоялась его первая персональная выставка - в галерее "Карлебак" в Нью-Йорке. Стиль его работ в это время менялся от кубизма до экспрессионизма. В 1960 г. он начал преподавать в университете Ратгерс и вскоре создал свои первые работы в стиле поп-арт, используя картинки из комиксов или мультфильмов и технологию, пришедшую из промышленной печати.

Вместе со своим другом Энди Уорхолом Ликтенстайн вошёл в число лидеров американского поп-арта, цена на его картины непрерывно росла. Последние 10 лет жизни Ликтенстайн входил в тройку самых дорогих американских художников. В 2015 г. на аукционе "Кристис" в Нью-Йорке его картина "Nurse" была продана за рекордные 95,4 миллиона долларов.

Среди полученных им наград - премия Американской академии искусств и литературы (1979), премия Университета Брандайса "За творчество в живописи" (1991), Премия Киото, Япония (1995), Национальная медаль искусств (1995), Медаль почёта Национального художественного клуба (Нью-Йорк) и др.
  
Имя Рой происходят от гэльского слова ruadh - "красный, рыжий". Имя Фокс означает по-английски "лисица". Фамилия Лихтенштейн образована немецкими словами Licht - "свет" и "Stein - "камень".