Creció en Londres. Es la hija única de dos cantantes profesionales de ópera. Pasó los años clave de su educación en Europa, incluso algunos meses liberadores en Italia mientras su padre trabajaba para el compositor modernista Hans Werne Henze. A los 16 años de edad, Pike fue aceptada en el conocido National Youth Theatre donde pasó los siguientes tres veranos, para culminar con la interpretación del papel protagónico en “Romeo y Julieta” a los 18 años de edad. Fue esa actuación la que cautivó al agente Dallas Smith quien pasó los años siguientes guiando su carrera muy de cerca. La obra se representó durante las vacaciones de verano antes de comenzar su carrera en Oxford donde estudió Literatura inglesa en el Wadham College.

En Oxford, Pike continuó actuando y viajando con la producción de la universidad de "La fierecilla domada". Los viajes, durante las vacaciones de verano, la llevaron a una mágica estadía de seis semanas en Japón, representando la obra en teatros de Osaka, Kyoto y el Globo de Tokio. Antes de la partida, se pasó dos días filmando su primer papel cinematográfico: A Rather English Marriage protagonizada por Tom Courtenay y Albert Finney. Ella interpretó a la sobrina de Albert Finney, Celia, quien puso en jaque la oportunidad del protagonista de tener una jubilación acomodada al ser declarada heredera de su tía el día de su muerte.

Pike también pasó las tardes interpretando el repertorio del teatro local, el famoso Oxford Playhouse. Ella interpretó a la actriz de la restauración Elisabeth Barry en la obra de Stephen Jeffreys "The Libertine" sobre la vida del escandaloso Conde de Rochester, así como el de Ann en la obra de Arthur Miller "Todos eran mis hijos".

Antes de dejar Oxford, Pike había conocido a un director importante de un proyecto en el que ella quería formar parte. El proyecto se demoró y no se materializó, pero un año más tarde recibió una inesperada llamada y de repente le ofrecieron el papel de Lady Harriet en la fastuosa producción de la BBC "Esposas e Hijas". Fue su primer trabajo para la BBC y ella estaba encantada de trabajar con actores tan distinguidos como Michael Gambon, Francesca Annis y Bill Patterson. El papel de Lady Harriet fue un gran desafío: una jinete inmejorable, aguda, y combatiente, la elección de Pike fue perfecta y su fuerte interpretación fue aclamada por la crítica. La revista Vanity Fair comentó que ella "sobresalía por encima de todo como una bandera al viento". Pike estuvo lejos durante nueve meses pero volvió a Oxford para terminar sus estudios y para interpretar una última obra en el Oxford Playhouse. Interpretó a la simpática y extraña Daisy en el "Rinoceronte" de Ionesco dirigida por la directora local Delphine Schrank.

Durante las vacaciones siguientes, pasó diez semanas filmando Amor en un clima frío, una adaptación de los libros de Nancy Mitford. Filmada en la fantástica casa de Mitford, Batsford Park, en Cotswolds, Pike interpretó a Fanny, una chica tímida e insegura por fuera pero cuyo calor y bondad la convirtieron en un personaje muy magnético. La extraordinaria lista de actores incluye a Alan Batea, a Sheila Gish, a Celia Imrie, a John Standing y a Anthony Andrews. De regreso a Oxford al finalizar los tres semestres, aceptó el papel de Kyra en la obra de David Hare "Skylight" dirigida por el joven director cinematográfico y compañero de estudios de Oxford James Rogan, quien pasó a dirigir "Dead Bolt Dead ".

La siguiente encarnación de Pike fue como Miranda Frost, una agente del MI6, una mujer de hielo, campeona de esgrima y la contraparte perfecta para James Bond en el éxito del pasado invierno: Muere otro día. A Miranda la arrancan de un campeonato de esgrima para trabajar con el departamento oficial del MI6. La envían a Islandia a trabajar con James Bond como agente encubierto asumiendo el puesto de encargada de relaciones públicas en la organización dirigida por el villano Gustav Graves. Dame Judi Dench hizo notar el primer día de filmación, que de acuerdo al archivo del M16, además de hablar serbio, ruso y suahili, Miranda tiene una mancha de nacimiento en la nalga izquierda. ¡Pike no la tiene!

Después de la película de James Bond, Pike volvió al teatro para interpretar "The Blonde " del premiado director Terry Johnson en su aclamada “Hitchcock Blonde" en el Royal Court Theatre de Londres. El diario Daily Mail dijo que su "debut en los escenarios es sorprendentemente perfecto, y tiene un glorioso parecido a Grace Kelly". El diario The Independent la llamó "una belleza que aturde y una combinación inolvidable de desesperación y de determinación como “The Blonde", y el diario The Observer describió a Rosamund como alguien a quien es "magnéticamente difícil quitarle los ojos de encima". El fantástico éxito de la obra significó que fuera transferida al Lyric Theatre del West End en junio de 2003, un logro que fue advertido por The New York Times, quien calificó a Pike de "deliciosa".

Después de que tomar un bien merecido descanso, Pike recibió una invitación para ir a Israel a comienzos de 2004, para interpretar el papel protagónico en la película-documental de suspense de Amos Gitai: Tierra Prometida. Interpreta a una periodista que descubre una organización de tráfico de personas en la franja de Gaza, junto a la coprotagonista Anne Parillaud. Tras su regreso a Londres, Pike comenzó a trabajar inmediatamente en The Libertine de Laurence Dunmor, junto a Johnny Depp. Ella interpreta a Elizabeth Malet, la esposa del Conde de Rochester, interpretado por Johnny Deep, con John Malkovich como el Rey Carlos II y Samantha Morton como Elizabeth Barry. El trabajo de Rosamund recibió muy buenas críticas del Daily News de Nueva York, quienes destacaron su capacidad de encontrar 'un pozo de intensidad romántica dentro de una joven mujer aparentemente pasiva'. La película fue estrenada en Gran Bretaña y en EEUU en noviembre de 2005 y Pike fue recompensada por su extraordinaria interpretación con un Premio del Cine Británico Independiente como Mejor Actriz Secundaria.

Pike permaneció en Gran Bretaña para su próximo proyecto, una adaptación junto a un gran número de artistas del cine de la clásica novela de Jane Austen, Orgullo y Prejuicio. Dirigida por Joe Wright, Pike interpreta a la bella pero descarriada Jane Bennett, junto a un reparto de estrellas que incluye a Keira Knightley, Brenda Blethyn, Donald Sutherland y Judi Dench. Esta esperada película fue estrenada en Gran Bretaña en septiembre de 2005 y en los EEUU dos meses más tarde, con Total Film describiendo el trabajo de Pike de "impresionante" y The Independent diciendo que su interpretación de Jane es de una "ferocidad cautivante". Pike fue nominada en la categoría de Mejor Actriz Secundaria en los Premios del Círculo de Críticos de Cine de Londres de 2006 por su interpretación.

A finales de 2004, Pike se cambió el corsé por un chaleco a prueba de balas, al aceptar el principal papel femenino, el de Samantha Grimm, en la película de acción de inmenso presupuesto, Doom, dirigida por Andrzej Bartkowiak. La película es una adaptación del vídeo juego del mismo nombre – uno de los títulos más populares en la historia de los vídeo juegos – y llegó directamente a la cima de los éxitos de taquilla en EEUU cuando fue estrenada en octubre 2005. Filmada en Praga, los coprotagonistas Karl Urban (como el hermano renegado de Samantha), The Rock y un grupo de extraterrestres mutantes.

En 2005, Pike pasó tres meses en Nueva York filmando la película independiente de suspense Screen Test, dirigida por James Oakley y coprotagonizada por Lena Olin. La película fue estrenada en 2006.

Recientemente, Pike terminó una temporada de la obra de Tennessee Williams "Verano y Humo" en el escenario del West End, junto a Chris Carmack con fantásticas reseñas de la crítica.