Rosamund Pike est née dans le quartier d'Hammersmith, à Londres, le 27 janvier 1979. Elle est la fille unique des chanteurs d'opéra Caroline (née Friend) et Julian Pike. Son père est maintenant professeur de musique et directeur d'études d'opéra au Birmingham Conservatoire.

Jusqu’à l’âge de sept ans, Pike voyage à travers l’Europe, ou ses parents mènent leur carrière artistique.

Elle obtient une bourse d'études à la Badminton School de Bristol (Angleterre), où elle a grandi, avant d'intégrer l'université d'Oxford, d'où elle sortira diplômée en littérature anglaise en 2001. C'est à l'université qu'elle prend goût au théâtre et acquiert de l'expérience en jouant dans de nombreuses pièces, principalement classiques, notamment de Shakespeare.

Ayant commencé sa carrière d'actrice très jeune au théâtre, elle fait ses débuts à la télévision en 1998. Elle obtient son premier rôle au cinéma en 2002 dans Meurs un autre jour, 20^e opus de la série de films de James Bond, dans lequel elle incarne l'agent Miranda Frost, qui lui permet d'acquérir une renommée internationale et de remporter l'Empire Award du meilleur espoir.

Par la suite, elle enchaîne les rôles au cinéma dans des films assez divers, tels que Orgueil et Préjugés, La Faille, Une éducation, We Want Sex Equality , Johnny English, le retour , Jack Reacher et plus récemment Radioactive et I Care a Lot, ce dernier film lui valant le Golden Globe de la meilleure actrice dans un film musical ou une comédie.

En 2014, sa participation au thriller psychologique Gone Girl est saluée par la critique. Pike reçoit de nombreuses récompenses (Saturn Awards, Austin Film Critics Association, Empire Awards, London Film Critics Circle, prix Sant Jordi du cinéma, Seattle Film Critics Association), et elle est sélectionnée pour de prestigieuses cérémonies de remises de prix (Oscars du cinéma, Golden Globes, BAFTA Awards, Satellite Awards, Screen Actors Guild Awards).

Parallèlement à sa carrière cinématographique, elle tourne également pour la télévision et fait une carrière au théâtre.

Rosamund Pike a été en couple pendant deux ans avec Simon Woods, son partenaire dans Orgueil et Préjugés. Elle a également été en couple avec le réalisateur Joe Wright, avec lequel elle a été fiancée en 2007, mais son partenaire s’est désengagé en 2008.

Depuis décembre 2009, elle est en couple avec Robie Uniacke, chercheur en mathématiques, avec lequel elle a eu deux fils.

Rosamund Pike vit actuellement à Prague, où elle a emménagé en 2019 pour tourner la série La Roue du temps. Violoncelliste accomplie, elle parle le français et un peu l'allemand.