Fille unique de chanteurs d'opéra, Rosamund Pike grandit à Londres, où elle entre à l'âge de 16 ans au célèbre National Youth Theatre. Elle étudie ensuite la littérature anglaise au Wadham College d'Oxford, tout en continuant à jouer, et fait ses débuts d'actrice à la télévision dans le téléfilm britannique Un couple peu ordinaire aux côtés d'Albert Finney, puis dans la série Wives and Daughters à la fin des années 1990.

En 2002, elle lance sa carrière cinématographique de façon fracassante en obtenant le rôle de Miranda Frost dans le 20ème épisode de la saga James Bond : Meurs un autre jour. Gardant un pied sur les planches, Rosamund Pike tient son premier rôle principal dans le film d'Amos Gitaï, Terre promise, où elle incarne aux côtés d'Anne Parillaud une journaliste qui découvre un trafic humain dans la bande de Gaza.

Romance et histoire se mêlent à ses deux films suivants, Rochester, le dernier des libertins (2004) et Orgueil et préjugés (2005), avant que l'actrice ne retourne au film d'action avec l'adaptation du jeu vidéo Doom. Courtisée des deux côtés de l'Atlantique, elle enchaîne le thriller judiciaire La Faille, le futuriste Clones avec Bruce Willis, le drame Une éducation et la comédie sociale We Want Sex Equality.

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.