Mary Rose Byrne se narodila 24. července 1979 v Balmainu, předměstí Sydney v Novém Jižním Walesu v Austrálii. Její matka, Jane Byrne, pracovala jako administrátorka na základní škole, zatímco otec Robin Byrne byl poloprofesionální tenista a učitel. Rose má irsko-skotské kořeny a je nejmladší ze čtyř sourozenců. Již v raném věku projevila zájem o herectví a v osmi letech začala navštěvovat Australian Theatre for Young People (ATYP). Navštěvovala Bradfield Senior College a později studovala na University of Sydney, ačkoli ji nedokončila. Pro své herecké vzdělání se rozhodla odjet do Spojených států, kde absolvovala intenzivní program na Atlantic Theater Company v New Yorku, což jí poskytlo cenné zkušenosti a průpravu pro budoucí kariéru.
Její profesionální herecká dráha začala poměrně brzy. Již v patnácti letech, v roce 1994, si odbyla filmový debut v australském snímku „Dallas Doll“. Následovaly role v australských televizních seriálech jako „Echo Point“ (1995) a „Heartbreak High“ (1999). Výraznější pozornosti v Austrálii se jí dostalo díky filmu „Two Hands“ (1999), kde si zahrála po boku Heathe Ledgera. Skutečný průlom v domácím filmu přišel s dramatem „The Goddess of 1967“ (2000), za které získala prestižní Volpi Cup pro nejlepší herečku na Benátském filmovém festivalu. Tento úspěch jí otevřel dveře k mezinárodním produkcím a začal její postupné směřování do Hollywoodu.
První zkušeností s velkým americkým filmem byla malá role služebné Dormé ve snímku „Star Wars: Episode II – Attack of the Clones“ (2002). Zlomová role v Hollywoodu přišla v roce 2004, kdy ztvárnila Briseis v historickém velkofilmu „Troy“, což výrazně zvýšilo její mezinárodní profil. Ve stejném roce se objevila i ve filmu „Wicker Park“. Dále následovaly menší, ale zapamatovatelné role, například jako Vévodkyně de Polignac v historickém dramatu Sofie Coppoly „Marie Antoinette“ (2006) a v sci-fi thrilleru Dannyho Boylea „Sunshine“ (2007), kde hrála pilotku Cassie.
Opravdový průlom na televizní obrazovce zaznamenala díky roli Ellen Parsons v právním dramatu „Damages“ (2007–2012). Za svůj výkon v tomto seriálu získala dvě nominace na Zlatý glóbus a dvě nominace na cenu Emmy za nejlepší herečku ve vedlejší roli v dramatickém seriálu. Tato role potvrdila její schopnost ztvárnit komplexní postavy a přinesla jí široké uznání kritiků i diváků. V roce 2010 ukázala svůj komediální talent ve filmu „Get Him to the Greek“. Téhož roku se objevila v úspěšném hororu „Insidious“, kde ztvárnila Renai Lambert, roli, kterou si zopakovala i v pokračování „Insidious: Chapter 2“ (2013) a později v „Insidious: The Red Door“ (2023).
Rok 2011 byl pro Rose Byrne obzvláště úspěšný. Zahrála si v akčním sci-fi snímku „X-Men: First Class“ jako agentka CIA Moira MacTaggert, roli, ke které se vrátila i v „X-Men: Apocalypse“ (2016). Nejdůležitější pro její kariéru se však stala komedie „Bridesmaids“ (2011), kde ztvárnila Helen Harris III. Film se stal obrovským kasovním hitem a Byrne za svůj výkon získala nominaci na MTV Movie Award. Tímto filmem se etablovala jako výrazná komediální herečka, schopná bezchybně přecházet mezi dramatem a komedií. Následovaly další úspěšné komediální role, například ve filmech „Neighbors“ (2014) a jeho pokračování „Neighbors 2: Sorority Rising“ (2016), kde si zahrála po boku Setha Rogena a Zaca Efrona. Velký ohlas sklidila i za svůj výkon v akční komedii „Spy“ (2015) s Melissou McCarthy.
V posledních letech se Rose Byrne objevila v rozmanitých projektech. V roce 2018 propůjčila hlas a hrála v rodinném filmu „Peter Rabbit“, roli si zopakovala v „Peter Rabbit 2: The Runaway“ (2021). Zahrála si také ve filmu „Instant Family“ (2018). V roce 2020 ztvárnila Glorii Steinem v kritiky oceňované minisérii „Mrs. America“, za kterou získala další nominaci na Emmy. Od roku 2021 do roku 2023 hrála hlavní roli Sheily Rubin v komediálním dramatu Apple TV+ „Physical“, kde působila i jako výkonná producentka. V roce 2023 se objevila v hororové komedii „Insidious: The Red Door“ a v komediálním filmu „Ezra“.
V osobním životě byla Rose Byrne v minulosti ve vztahu s australským režisérem Brendanem Cowellem. Od roku 2012 je jejím partnerem americký herec Bobby Cannavale. Pár má spolu dva syny: Rocca Robina Cannavaleho, narozeného v roce 2016, a Rafu Cannavaleho, narozeného v roce 2017. Rose Byrne si udržuje silné vazby na svou rodnou Austrálii a dělí svůj čas mezi New York a Sydney. Kromě filmové a televizní práce se věnuje i divadlu, například si zahrála v produkci „Medea“ v Brooklynu, a je známá svou podporou různých charitativních organizací.