Erste Erfahrungen in ihrem Beruf machte Rose Byrne am Australian Theatre for Young People in Sydney. Mit fünfzehn Jahren erhielt sie ihre erste Rolle in der KomödieDallas Doll. Die folgenden fünf Jahre wurde sie für verschiedene Fernsehproduktionen gecastet, bis sie 1999 das nächste Angebot für eine Kinorolle bekam. Seitdem war sie jedes Jahr in mehreren Kino- und Fernsehproduktionen zu sehen.
Byrne war bis zur Trennung im Januar 2010 sechs Jahre lang mit ihrem Landsmann und SchauspielkollegenBrendan Cowell liiert.[1] Seit 2012 ist sie mit dem US-SchauspielkollegenBobby Cannavale liiert,[2] mit dem sie zwei Söhne (* 2016[3] und * 2017[4]) hat.