Один из наиболее значимых режиссёров кинематографического движения итальянского неореализма, автор таких фильмов-образцов этого движения, как «Рим, открытый город».
Родился в буржуазной семье в Риме. Отец Росселлини построил первый кинотеатр в Риме, и в детстве Роберто имел неограниченный бесплатный пропуск в кино. В молодости работал на многих работах, имеющих отношение к созданию кинофильмов, и приобрёл большой опыт в различных областях и на различных этапах кинопроизводства. Брат Роберто – Ренцо Росселлини – написал музыку
ко многим его фильмам.
В 1938 году снял первый документальный, в 1941-м первый художественный фильм. Сюжеты некоторых фильмов Росселлини связаны с пережитой им второй мировой войной и её последствиями («Рим, открытый город», «Германия, год нулевой», «В Риме была ночь»).
В 1948 году Росселлини получает письмо от шведской актрисы Ингрид Бергман с предложением
сниматься в его фильмах, и в следующем году начинает съёмки фильма «Стромболи» с Бергман в главной роли. Так началась одна из известнейших любовных историй в кинематографе. Отношения Роберто Росселлини и Ингрид Бергман сопровождались общественным скандалом, так как у обоих были другие супруги. Скандальности прибавилось, когда у них начали появляться дети (две доч
ери и сын). Одна из их совместных дочерей стала известной моделью и актрисой – Изабелла Росселлини. У Роберто также было двое сыновей от первой жены. В конце 1950-х Росселлини и Бергман разошлись, а незадолго до того у Росселлини был ещё один роман на стороне - во время съёмочных работ в Индии.
Умер от сердечного приступа в Риме, в 1977 году, в возрасте 71 года