Roberto Paternostro estudió en la Escuela Superior de Música de Viena bajo la tutoría de Hans Swarowsky, y en Hamburgo bajo la dirección de los maestros György Ligeti y Christoph von Dohnányi. Durante seis años, entre 1978 y 1984, el austríaco trabajó como asistente de Herbert von Karajan.

Después de ello, Paternostro se desempeñó como director de distintas óperas en el continente europeo. Desde 1997 hasta 2007 fue director general de la orquesta del Teatro Estatal de Kassel. Allí dirigió, entre otras, nuevas producciones de obras de Richard Wagner (Tristán e Isolda, El Anillo de los Nibelungos, Parsifal, Tannhäuser y Lohengrin).

Desde 2009 Roberto Paternostro es director artístico de la Orquesta de Cámara de Israel y en 2010 asumió también su dirección musical. Su presentación en 2011 en el Festival wagneriano de Bayreuth de El Idilio de Sigfrido de Richard Wagner, causó gran controversia en Israel. No obstante, ello trajo consigo una acogida positiva de parte de los medios internacionales, así como la creación de la primera Sociedad Wagner en Israel.

En octubre de 2012, Roberto Paternostro fue condecorado en la Sala de Conciertos de Berlín con el premio alemán Echo Klassik.