Issu d'une famille bourgeoise habitant Rome, Roberto Rossellini a vécu dans la demeure paternelle, via Ludovisi, dans une atmosphère artistique, musicale et culturelle.
Le père de Roberto, Angiolo Giuseppe Rossellini, dit Beppino Rossellini, était un architecte connu de la capitale, bénéficiant de la fortune et de l'appui d'un oncle entrepreneur, Roberto Zeffiro Rossellini. Beppino Rossellini a construit le premier cinéma romain (un théâtre dans lequel des films pouvaient être projetés), autorisant Roberto à assister librement à de nombreuses séances. Roberto a donc commencé à fréquenter le cinéma à un très jeune âge. Au décès de son père, il se met à travailler comme preneur de son pour des films, et, pendant un certain temps, exerce accessoirement tous les métiers liés à la création d'un film, gagnant de la compétence dans chaque domaine.
En 1936, il épouse Marcella de Marchis qui exerça, à partir des années 1960, une activité de costumière de cinéma et avec qui il eut deux fils, Marco Romano, né en 1937 et
Renzo, né en 1941 qui devint assistant réalisateur puis réalisateur, et travailla souvent avec son père.
Les premières réalisations de Rossellini furent des courts-métrages : en 1936, Daphne (Daphné) puis, en 1938, Prélude à l'après-midi d'un faune qui fut interdit par la censure pour impudicité, et en 1939, Fantasia Sottomarina (Fantaisie aquatique). En 1938, il assiste
Goffredo Alessandrini pour le scénario de Luciano Serra, pilote (Luciano Serra pilota) qui obtint la Coupe Mussolini pour le meilleur film italien à la Mostra de Venise et fut l'un des films italiens les plus populaires de la première moitié du XXe siècle. Puis, en 1940, il assiste Francesco de Robertis pour la réalisation de SOS 103 (Uomini sul Fondo). Son amitié étroite avec Vittorio Mussolini, fils du Duce et responsable du cinéma en Italie, a été interprétée comme une raison possible de la préférence que certains réalisateurs avaient pour lui.
Son premier long métrage, Le Navire blanc (La Nave Bianca) en 1941, est un projet du Centre cinématographique du Ministère de la marine, suivi par Un pilote revient (Un pilota ritorna) (1942) et L'Homme à la croix (Uomo dalla Croce) (1943). Cette période a été marquée par son amitié pour
Federico Fellini, qui fut son assistant, et
Aldo Fabrizi.
Lorsque le régime fasciste prend fin en 1943, juste deux mois après la libération de Rome, Rossellini travaillait déjà sur
Rome, ville ouverte (Roma, città aperta) (avec Fellini qui participa au scénario et Fabrizi qui interprétait le rôle du prêtre). Il produisit lui-même le film (la majeure partie de l'argent est venue de crédits et de prêts). Ce film dramatique, sorti en 1945 a un succès immédiat et obtint l'un des Grand Prix du Festival de Cannes en 1946. En 1946, Rossellini réalise Païsa (Paisà), un film avec des acteurs non professionnels (
Giulietta Masina y figure), puis en (1948), Allemagne année zéro (Germania anno zero), parrainé par un producteur français et filmé dans le secteur français de Berlin. À Berlin aussi, Rossellini aurait préféré faire jouer des acteurs non professionnels, mais n'a pu trouver de visage qui pouvait l'« intéresser ». Il plaça son appareil-photo au milieu d'une place dans le centre ville, comme il l'avait fait pour Paisà, mais fut surpris de ne voir aucun curieux venir l'observer.
Comme il l'a déclaré à des journalistes lors d'une entrevue, « afin de vraiment créer le personnage qu'on a à l'esprit, il est nécessaire pour le scénariste de s'engager dans une bataille avec son acteur qui finit habituellement par la soumission du scénariste au désir de l'acteur. Puisque je n'ai pas le désir de gaspiller mon énergie dans une bataille comme celle-ci, j'emploie des acteurs professionnels seulement de temps en temps ». Une des raisons du succès serait, selon Rossellini, le fait qu'il a réécrit les scénarios suivant les sentiments et les histoires d'acteurs non professionnels. Les accents régionaux, les dialectes et les costumes apparaissaient dans les films comme ils étaient dans la réalité.
Rossellini réalise ensuite Amore (L'Amore, avec
Anna Magnani) et La Machine à tuer les méchants (La macchina ammazzacattivi), sur les possibilités du cinéma à dépeindre la réalité et la vérité (avec des rappels de la commedia dell'arte).
En 1948 Rossellini reçoit une lettre d'une actrice étrangère se proposant de travailler avec lui :
Par cette lettre célèbre commence une histoire qui propulse Ingrid Bergman et Rossellini sous les feux de l'actualité. Ils travaillent ensemble l'année suivante, en 1950, dans
Stromboli terra di Dio (dans l'île de Stromboli, dont le volcan entre opportunément en éruption pendant le tournage du film), film suivi d' Europe 51 (Europa'51) sorti en 1952. En 1953,
Voyage en Italie (Viaggio in Italia).
L'histoire d'amour entre Ingrid Bergman et Rossellini a causé un scandale aux États-Unis et en Italie (Bergman et Rossellini étaient tous les deux mariés chacun de leur côté) ; le scandale s'est amplifié quand ils ont eu des enfants (dont
Isabella Rossellini qui connaît la célébrité en tant qu'actrice). Ils se marièrent cependant en 1950.
En 1957, Rossellini et Ingrid Bergman se séparent au retour d'un voyage en Inde. Il y a noué une liaison avec la scénariste Sonali Das Gupta qu'il épousera, et dont il divorça quelques années plus tard.
Après 1961, l'activité de Rossellini va principalement être la réalisation de films ou de séries pour la télévision, de nature culturelle ou éducative, qui, pour certains sortirent également en salle.
De 1968 à 1974, il dirige le Centro Sperimentale di Cinematografia.
En 1974, il réalise pour le grand écran L'An un (Anno uno) et en 1975, Le Messie (Il Messia).
En 1977, il tourne un film sur Le Centre national d'art et de culture Georges-Pompidou, son dernier film, et accepte la présidence du jury au Festival de Cannes. Il s'éteint à Rome, peu de temps après, d'une crise cardiaque.