Родились в семье столичного доктора, которому как доктору, невзирая на общее воспрещение лицам еврейской национальности проживать в столицах, было допустимо жить в Москве, на Кузнецком мосту.
Оба брата сразу закончили Венскую консерваторию по классу драматического театра, при этом на конкурсном выпускном экзамене Роберт был удостоен первого приза, Рафаил — второго. 1-ое время после получения образования они работали порознь в разных театрах Австрии, Германии и Швейцарии, но потом возвратились в Россию (1893 либо в 1894—1895), где скоро стали работать вкупе. Они проработали на сцене более 40 лет. В их репертуар входили сначала традиционные катастрофы: «Царь Эдип» (в первый раз поставленный ими на российской сцене), «Отелло», «Король Лир», «Венецианский купец», «Разбойники», «Уриэль Акоста», «Ганнеле». Выступали как на столичных сценах, так и на провинциальных, исколесив таким макаром чуть не всю Россию:
«Роберт выступал в амплуа героев, хотя больше тяготел к соответствующим ролям. Они оба были необычными тружениками, подчиняя себя стальной дисциплине: каждодневные физические упражнения, в том числе и фехтование, каждодневная работа над голосом, каждодневное повторение той либо другой роли, каждодневное чтение книжек, относящихся к театру, на российском, германском, французском и британском языках».
К 10-летию совместной творческой деятельности братьев в 1905 году в Санкт-Петербурге вышел альбом с их фото в разных ролях.
Театральный деятель и журналист А. Кугель отмечал, что братья Адельгейм работали, полагаясь не только лишь на интуицию и наитие, но кропотливо отделывали роли, работали «по-немецки», как часы.
Актёр А. А. Сумароков писал: «Братья Адельгейм явились примером того, как должен себя вести актёр на сцене и в жизни».
Братья Адельгейм разработали специальную методику обучения актёрскому мастерству, основанную на дыхательных упражнениях. Но со временем их разработки оказались на сто процентов утраченными. В Русское время основополагающей методикой была признана только школа психического театра Станиславского, а все другое, даже не противоречащее ей, начисто отвергалось.
После революции 1917 года братья Адельгейм продолжали выступления в клубах и домах культуры при русских предприятиях, в московские официальные театры их не приглашали. Все же в 1927 (по свидетельству энциклопедии «Кругосвет») либо в 1931 году (по свидетельству Еврейской энциклопедии) в Москве отмечалось 70-летие обоих братьев и им были присвоены звания народных артистов РСФСР.
Уже будучи немолодым человеком, Роберт Львович попал в Москве под автобус и 19 декабря 1934 г. скончался. В апреле 1938 года Рафаил Львович отметил в ЦДРИ 50-летие собственной актёрской деятельности, а скоро, через несколько месяцев, 17 августа скончался от сердечного приступа.
Похоронены на 23 участке Введенского кладбища в Москве.
