Jej rodzice pochodzą ze Szkocji i Irlandii. Aktorstwem zajęła się w wieku lat ośmiu, kiedy po raz pierwszy wystąpiła w Australian Theatre for Young People. Później grała w popularnych w Australii operach mydlanych, m.in. w „Szkole złamanych serc” i „Echo Point”. Pierwszą rolę kinową zagrała w komedii „Dallas Doll” (1994). W 2000 roku wystąpiła w filmie „Moja matka” oraz w komedii „Goddess of 1967” opowiadającej o kultowym francuskim samochodzie Citroenie DS. Rola ta przyniosła Rose nagrodę Copa Volpi dla najlepszej aktorki na Festiwalu Wenecji w 1999 roku.

Jej pierwsza rolą w filmie wysokobudżetowym była postać Dorme – służącej królowej Amidali w „Gwiezdnych wojnach 2 – Atak klonów” (2002). Rola Dorme nie była może bardzo rozbudowana, lecz cieszy się kultowym statusem na stronach internetowych poświeconych „Gwiezdnym wojnom”. W tym samym czasie Rose pojawiła się w dreszczowcu „City of Ghosts” (2002) wyreżyserowanym przez aktora Matta Dillona, oraz w komedii romantycznej „Nie oddam zamku” (2003).

Z pomocą rodaka Erica Bany aktorka otrzymała rolę Briseis w wysokobudżetowym dramacie kostiumowym „Troja” (2004). W kolejną rolę z epoki Rose Byrne wcieliła się w filmie „Maria Antonina” (2006) w reżyserii Sophii Coppoli. W dreszczowcu „Apartament” (2004) aktorka partnerowała przystojnemu Joshowi Hartnettowi. W 2006 roku na ekrany kin wejdzie kolejny film z jej udziałem – „Sunshine” w reżyserii Danny’ego Boyle’a, twórcy kultowego „Trainspotting”. Obecnie Byrne pracuje na planie thrillera „The Dead Girl” (2007), opowiadającego o śledztwie w sprawie tajemniczej śmierci młodej dziewczyny.