Родился в Риме в семье преуспевающего архитектора. Отец Росселлини построил первый кинотеатр в Риме, и в детстве Роберто имел неограниченный бесплатный пропуск в кино. В молодости пробовал себя во многих профессиях, имеющих отношение к созданию кинофильмов, и приобрёл большой опыт в различных областях и на различных этапах кинопроизводства. Брат Роберто — Ренцо Росселлини — написал музыку ко многим его фильмам.
Во время Второй мировой войны Росселлини находился в сложном положении. С одной стороны, благодаря протекции своего старого знакомого Витторио Муссолини он продолжал работать в официальной киноиндустрии, с другой — тайно снимал ручной камерой антифашистские репортажи. В 1938 году снял первый документальный, в 1941-м — первый художественный фильм. На исходе войны фактически без сценария и с актёрами-любителями поставил нашумевший фильм «Рим — открытый город», воспринятый как манифест нового, послевоенного европейского кинематографа. С исполнительницей главной роли, Анной Маньяни, у режиссёра завязывается бурный роман.
За «Римом» последовали новые фильмы на военную тему, которая становится основной в творчестве Росселлини, — «Германия, год нулевой», «Генерал Делла Ровере», «В Риме была ночь». В конце 1940-х Росселлини — самый знаменитый режиссёр Италии, если не всей Европы. Могущественный голливудский продюсер Дэвид Селзник приглашает его работать на «Фабрике грёз».
В 1948 году Росселлини получает от голливудской суперзвезды Ингрид Бергман письмо с предложением сотрудничества и в следующем году начинает съёмки фильма «Стромболи» с Бергман в главной роли. Так началась одна из известнейших любовных историй в летописях кино. Сближение Роберто Росселлини и Ингрид Бергман сопровождалось общественным скандалом, так как оба уже состояли в браке, а у Росселлини было двое детей. У них родились сын и две дочери, из которых одна стала известной моделью и актрисой — Изабелла Росселлини. Совместные кинопроекты Росселлини и Бергман в своё время не имели успеха ни у публики, ни у критиков. В художественном плане они предвещали экзистенциальные искания таких режиссёров, как Микеланджело Антониони. Пути Росселлини и Бергман окончательно разошлись в конце 1950-х.
«Генерал Делла Ровере» (1959) с Витторио Де Сика в главной роли стал последним успешным фильмом режиссёра. В конце 1950-х он посвящает себя многосерийному документальному проекту об Индии. На съёмочной площадке у него завязался роман с местной сценаристкой, которая родила от него ребёнка. Разочарованный холодным приёмом фильма об Индии и провалом в прокате исторической ленты «Ванина Ванини», Росселлини в 1963 году собрал пресс-конференцию, на которой заявил, что поскольку «кино умерло», отныне он будет работать на телевидении, «просвещая» широкие слои публики. Когда об этом рассказали Хичкоку, он мрачно сострил: «Не кино умерло, а режиссёр Росселлини».