Figlio di un ricco architetto, cresce in un ambiente borghese e di raffinata cultura. Riceve un’educazione umanistica, compiendo, come scriverà lui stesso in una scheda autobiografica, “studi liceali, filosofici, artistici e letterari”. Ben presto però abbandona gli studi regolari e si dedica attivamente a una sua grande passione: la meccanica.

Si accosta dunque al cinema, arte quanto mai “meccanica” e in cui trova un fecondo terreno d’applicazione e di sperimentazione. Verso la metà degli anni ’30 realizza sia come montatore che come regista alcuni cortometraggi per l’Istituto Luce, tra cui Daphne (1936) e Prélude à l’après midi d’un faune (1938). Contemporaneamente collabora (il più delle volte anonimamente) alla stesura delle sceneggiature di alcuni film, il più noto dei quali è Luciano Serra pilota (1938), diretto da Goffredo Alessandrini. Il contributo dato da Rossellini al film (che si aggiudicherà la coppa Mussolini al festival di Venezia) è comunque anche tecnico, essendo tra l’altro sue le riprese girate in Africa.

Alla fine degli anni ’30 gira alcuni documentari sulla natura e sul mondo animale (Fantasia sottomarina, Il tacchino prepotente, La Vispa Teresa, Il ruscello di Ripasottile) che gli valgono la stima di Francesco De Robertis, il quale, per conto del Centro cinematografico del ministero della Marina, gli commissiona un documentario su una nave ospedale. Sarà questo il suo primo lungometraggio, uscito nel 1941 col titolo La nave bianca. Seguiranno poi due film di propaganda bellica: Un pilota ritorna (1942) e L’uomo della croce (1943).

Dopo la fine della seconda guerra mondiale volge lo sguardo al recente passato e dirige la cosiddetta trilogia della guerra, di cui fanno parte Roma città aperta (1945), Paisà (1946, nomination all’Oscar per la migliore sceneggiatura) e Germania anno zero (1947): tre capolavori che inaugureranno il periodo neorealista, di cui Rossellini sarà unanimemente riconosciuto il vero padre.

Dirige poi L’amore (1948), con Anna Magnani, Stromboli, terra di Dio (1949), Francesco giullare di Dio (1950) ed Europa ’51 (1951). Sul set di Stromboli conosce Ingrid Bergman, con la quale si sposa nel 1950. Dalla loro unione nasceranno le gemelle Isotta e Isabella (18 giugno 1952), e il film Viaggio in Italia, una pellicola che riceve le lodi, tra gli altri, di Truffaut e Godard, ma che dal punto di vista commerciale sarà un insuccesso. Del 1954 l’ultimo film che girerà con la moglie, La paura – Non credo più nell’amore, poi, nel 1957 la separazione.

Si reca in India, dove gira parecchio materiale. Tornato in Italia realizza il documentario India (1959) e i dieci episodi della serie televisiva L’India vista da Rossellini, che la Rai trasmette tra il 7 gennaio e l’11 marzo 1959. Sarà questo l’inizio della lunga collaborazione che avrà con la rete televisiva.

Sempre nel 1959 ottiene un notevole successo con Il generale Della Rovere, che, interpretato da Vittorio De Sica, otterrà il Leone d’oro e il Nastro d’argento. Tra gli anni ’60 e gli anni ’70 continuerà comunque a dedicarsi, con esiti non sempre positivi, al cinema didattico e alla produzione di film per la tv.

In seguito ad un attacco cardiaco, si spegne a Roma il 3 giugno 1977.

Il regista e critico cinematografico francese Jacques Rivette ha detto di lui: “C’è, da una parte, il cinema italiano; dall’altra Roberto Rossellini, il quale è un esponente sui generis della stessa scuola neorealista, di cui fu tuttavia uno dei pionieri”.