Originaria de Sydney, posee la capacidad camaleónica de pasar drásticamente de un personaje a otro en diferentes películas. Con su etérea belleza, su presencia en pantalla, y su talento natural, parece encaminada a disfrutar de una larga y próspera carrera en Hollywood.

Byrne comenzó su carrera protagonizando varias producciones australianas de televisión mientras perfeccionaba su arte con el Australian Theatre for Young People. Ha aparecido en los escenarios de la prestigiosa Sydney Theatre Company con La Dispute y Las tres hermanas.

En 1999, Rose saltó a la fama en Australia por su papel de Alex en la comedia negra de Gregor Jordan Two Hands, que también protagonizó un entonces relativamente desconocido Heath Ledger. La película fue un gran éxito tanto de público como de crítica.

En su siguiente película, Byrne tuvo su primer papel protagonista: la surrealista cinta de La diosa del asfalto de 1967, por la que recibió el premio Copa Volpi como Mejor Actriz en el Festival Internacional de Cine de Venecia de 1999.

Byrne se ganó el reconocimiento internacional cuando fue elegida para hacer de la leal doncella de Amidala, Dorme, en la película de George Lucas Star Wars Episodio II: el ataque de los clones. Byrne interpretó después de STAR WARS el papel protagonista de I Capture the Castle, una película inglesa de amor de los años 30 basada en el libro de Dodie Smitha.

En 2004, Byrne protagonizó la película épica de Wolfgang Petersen Troya, con Brad Pitt, Eric Bana, Peter O’Toole y Orlando Bloom. Luego se reunió con Peter O’Toole en el aclamado drama de la BBC TV, Casanova. Byrne apareció en la película de Danny Green, The tenants, basada en la novela de Bernard Malamud, y protagonizó con Josh Harnett y Diane Kruger el drama psicológico Obsesión (Wicker Park).

Byrne ha trabajado en la película de Sofia Coppola, María Antonieta, junto a Kirsten Dunst; y en The dead girl, a las órdenes de Karen Moncrief, compartiendo reparto con los actores Toni Collette, Brittany Murphy, Marcia Gay Harden y James Franco.

Recientemente, se le ha podido ver en el thriller de ciencia ficción de Danny Boyle, Sunshine, junto a Cillian Murphy, Michelle Yeoh y Chris Evans.

Más recientemente, Byrne ha terminado el largometraje del director y guionista, Chaz Thorne, Pushing Up Daisy, protagonizado por Jay Baruchel y Graham Green. Próximamente, va a comenzar el rodaje del filme del director y guionista, Jonathan Ogilvie, The Tender Hook, cuyo reparto está encabezado por Hugo Weaving y Matthew Le Nevez.