Byrne è nata a Balmain, un sobborgo di Sydney, da una famiglia di origini irlandesi e scozzesi. Il padre è uno statistico in pensione, la madre amministratrice in una scuola elementare. Rose è l'ultima di quattro figli: ha due sorelle e un fratello. Fin da quando è una bambina vuole recitare: dall'eta di 8 anni prende lezioni di recitazione alla scuola Australian Theatre for Young People e anni dopo all'Università di Sydney. Nel 1999 studia alla Atlantic Theater Company fondata da David Mamet e William H. Macy.
Rose esordisce come attrice all'età di 15 anni nel film Dallas Doll (1994), in seguito partecipa ad alcuni show televisivi australiani e alcuni film per la tv come Two Hands (1999) accanto ad Heath Ledger.
Nel 2000 torna sul grande schermo con My Mother Frank e La dea del '67, mentre nel 2002 è protagonista di City of Ghosts. Alla Mostra Internazionale del Cinema di Venezia del 2000 riceve la Coppa Volpi per la migliore interpretazione femminile per il ruolo di B.G. ne La dea del '67. Appare nel kolossal Star Wars: Episodio II - L'attacco dei cloni (2002) e nel 2003 è protagonista di Il profumo delle campanule di Tim Fywell. Nel 2004 interpreta Briseide nel film di Wolfgang Petersen, Troy con Brad Pitt e Orlando Bloom. Il film, pur avendo ricevuto critiche negative, è un successo al botteghino e incassa più di 497 milioni di dollari. Nello stesso anno, interpreterà anche il ruolo di Alex nel film Appuntamento a Wicker Park al fianco di Josh Hartnett.
Nel 2006 è sotto la direzione del Premio Oscar Sofia Coppola nel film Marie Antoinette al fianco di Kirsten Dunst. Il film vince il Premio Oscar e il Nastro d'argento per i migliori costumi. Ha lavorato in Sunshine (2007) e nell'horror 28 settimane dopo (2007). Dal 2007 è impegnata nel ruolo del giovane avvocato Ellen Parsons nella serie televisiva acclamata dalla critica Damages al fianco di Glenn Close. La serie TV ottiene critiche entusiastiche per tutte le stagioni di cui si compone[10] e si classifica come uno dei telefilm di maggior successo degli ultimi anni ricevendo nomination ai più importanti premi come Golden Globe, Emmy Awards, Screen Actors Guild Awards, Satellite Awards, Producers Guild of America Awards, Writers Guild of America Awards e Television Critics Association Awards. Nel 2009 recita in Adam, film che tratta il delicato tema della sindrome di Asperger e nel 2010 è nel cast di In viaggio con una rock star.
Nel 2011 recita in tre film che si rivelano un successo di critica e pubblico. Interpreta Renai in Insidious, un horror psicologico che ottiene critiche positive[11] e a fronte di un budget di produzione di solo 1 milione e mezzo di dollari ne incassa 97 milioni. Nel film Le amiche della sposa è Helen, una ragazza ricca e viziata che per tutto il film è in lotta con Annie, interpretata da Kristen Wiig; il film è acclamato dalla critica, riceve nomination ai più importanti premi cinematografici tra cui Premio Oscar e Golden Globe ed incassa a livello internazionale 288,383,523 dollari. Infine nel 2011 prende parte al film X-Men - L'inizio insieme a James McAvoy, Michael Fassbender, Jennifer Lawrence e January Jones; anche questo film è accolto positivamente e incassa 353,624,124 dollari. Nel 2012 è nel cast del film Come un tuono insieme a Ryan Gosling, Bradley Cooper ed Eva Mendes
Il 2013 la vede co-protagonista del film A prova di matrimonio (una commedia sulle vicende di una giovane coppia durante il primo anno di matrimonio) e della commedia Gli stagisti (The Internship), con Vince Vaughn e Owen Wilson. La Byrne è anche nel sequel di Insidious uscito nel settembre 2013. Nel 2015 è nel cast dell'action comedy di spionaggio Spy. Nel 2016 recita nuovamente nei panni di Moira MacTaggert in X-Men: Apocalisse.