Rose Byrne nasceu em Balmain, Sydney, Austrália. Ela é filha de Jane, uma administradora de escola primária, e Robin Byrne, estatístico semi-aposentado e pesquisador de mercado.
Ela conseguiu seu primeiro papel em um filme, Dallas Doll (1994), quando tinha 15 anos de idade.
Desde então, Rose apareceu em vários programas televisivos australianos, incluindo Heartbreak High (1994), Echo Point (1995) e o filme Two Hands (1999), ao lado de Heath Ledger. Depois disso, ela apareceu em vários filmes como The Date (1999), My Mother Frank (2000), e The Goddess de 1967 (2000) de Clara Law, para o qual ela obteve a Copa Feminina Volpi no Festival de Veneza em 2000.
Sua primeira experiência em um filme de grande orçamento veio quando ela interpretou a criada, Dormé, para Natalie Portman, Padmé Amidala, em Star Wars: Episódio II - Ataque dos Clones (2002). Em 2003, ela estrelou, coincidentemente, como Rose Mortmain na adaptação de I Capture the Castle (2003) de Dodie Smith. Em 2004, atuou em Wicker Park (2004) com Diane Kruger e Josh Hartnett. Aqui, ela ouviu Wolfgang Petersen procurando uma atriz para Briseis em seu próximo filme Troy (2004) com Brad Pitt, ela conseguiu o papel e foi reconhecida como uma das atrizes mais promissoras de Hollywood.
Depois de Troy (2004), ela interpretou Edith em uma adaptação para TV de Casanova (2005). Em setembro de 2005, ela começou a atuar em Sunshine (2007), um filme de Danny Boyle, onde ela interpreta o piloto em uma missão espacial.
