Fille unique de parents tous deux musiciens, elle a grandi à Bristol (Angleterre) avant d'intégrer l'Université d'Oxford, d'où elle sort diplômée en littérature anglaise en 2001. C'est à l'université qu'elle contracte le goût du théâtre et acquiert de l'expérience en jouant dans de nombreuses pièces étudiantes, principalement du théâtre classique, Shakespeare notamment.
Remarquée à cette occasion par un agent, elle commence sa carrière professionnelle par des apparitions dans des mini-séries télévisées britanniques. Mais le rôle qui va véritablement la révéler au grand pub blic est celui de l'agent double Miranda Frost dans le James Bond Meurs un autre jour, où elle partage l'affiche avec Pierce Brosnan et Halle Berry. Elle enchaîne ensuite avec des films comme Rochester, le dernier des libertins, qui lui vaudra le BAFTA de la meilleure actrice dans un second rôle, aux côtés de Johnny Depp, Doom, l'adaptation d'un jeu vidéo, et Orgueil et préjugés, où elle tient le rôle de Jane Bennet.
Elle n'a cependant pas délaissé le théâtre et monte régulièrement sur les planches à Londres. Contrairement à ses débuts classiques, elle n'hésite pas à tenir des rôles plus audacieux, tel que celui de la pièce The Hitchcock Blonde, où elle apparaissait chaque soir entièrement nue sur scène.
Elle a été en couple durant deux ans avec Simon Woods, son partenaire dans Orgueil et Préjugés. Elle vit actuellement à Londres. Violoncelliste accomplie, elle parle couramment le français et l'allemand.
En 2011, Rosamund Pike joue aux côtés de Rowan Atkinson dans la comédie britannique Johnny English, le retour. Un an plus tard, elle change de registre pour devenir Andromède dans La Colère des Titans. Bien que le film ne reçoive pas de très bonnes critiques, sa performance est saluée. Après avoir donné la réplique à Tom Cruise dans Jack Reacher, elle partage à deux reprises l'affiche avec son comparse britannique Simon Pegg dans Le Dernier pub avant la fin du monde et Hector et la recherche du bonheur.
En 2014, Rosamund Pike décroche le premier rôle féminin du thriller Gone Girl de David Fincher. Sa performance impressionne et lui permet de décrocher une nomination à l'Oscar de la meilleure actrice. Après le drame A United Kingdom, elle campe l'épouse de Reinhard Heydrich, chef de la Gestapo, dans HHhH du Français Cédric Jimenez. L'année suivante, elle incarne une femme rescapée d'un massacre et avide de vengeance dans Hostiles, un western crépusculaire porté par Christian Bale.
Très active et privilégiant le thriller, Rosamund Pike se glisse dans la peau de la journaliste Marie Colvin dans Private War, d'une agent de la CIA dans Opération Beyrouth, d'une terroriste dans Otages à Entebbe et d'une agent du FBI dans The Informer.
Avide de nouveaux défis, la native de Londres campe Marie Curie dans le biopic de Marjane Satrapi (Persepolis) Radioactive aux côtés de son compatriote Sam Riley. Dans la comédie noire Netflix I Care A Lot, la comédienne incarne une tutrice sans scrupules qui utilise de riches personnes âgées pour s'enrichir... Elle doit toutefois lutter pour sa survie après s'être attaquée à la mauvaise personne (Peter Dinklage). Ce rôle lui permet d'obtenir le Golden Globe de la meilleure actrice dans un film musical ou une comédie.
