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Rose Byrne nasce a Sydney il 24 luglio 1979 in una famiglia di origini irlandesi e scozzesi. Il padre è uno statistico in pensione, la madre amministratrice in una scuola elementare. Rose è l'ultima di quattro figli: ha due sorelle e un fratello. Fin da quando è una bambina vuole recitare: dall'eta di 8 anni prende lezioni di recitazione alla scuola Australian Theatre for Young People e anni dopo all'Università di Sydney. Nel 1999 studia alla Atlantic Theater Company fondata da David Mamet e William H. Macy.

Nel 2006 è sotto la direzione del Premio Oscar Sofia Coppola nel film Marie Antoinette al fianco di Kirsten Dunst. Il film vince il Premio Oscar e il Nastro d'argento per i migliori costumi. Ha lavorato in Sunshine (2007) e nell'horror 28 settimane dopo (2007). Dal 2007 è impegnata nel ruolo del giovane avvocato Ellen Parsons nella serie televisiva acclamata dalla critica Damages al fianco di Glenn Close. La serie TV ottiene critiche entusiastiche per tutte le stagioni di cui si compone e si classifica come uno dei telefilm di maggior successo degli ultimi anni ricevendo nomination ai più importanti premi come Golden Globe, Emmy Awards, Screen Actors Guild Awards, Satellite Awards, Producers Guild of America Awards, Writers Guild of America Awards e Television Critics Association Awards. Nel 2009 recita in Adam, film che tratta il delicato tema della sindrome di Asperger e nel 2010 è nel cast di In viaggio con una rock star.

Nel 2011 recita in tre film che si rivelano un successo di critica e pubblico. Interpreta Renai in Insidious, un horror psicologico che ottiene critiche positive e a fronte di un budget di produzione di solo 1 milione e mezzo di dollari ne incassa 97 milioni. Nel film Le amiche della sposa è Helen, una ragazza ricca e viziata che per tutto il film è in lotta con Annie, interpretata da Kristen Wiig; il film è acclamato dalla critica, riceve nomination ai più importanti premi cinematografici tra cui Premio Oscar e Golden Globe ed incassa a livello internazionale 288,383,523 dollari. Infine nel 2011 prende parte al film X-Men - L'inizio insieme a James McAvoy, Michael Fassbender, Jennifer Lawrence e January Jones; anche questo film è accolto positivamente e incassa 353,624,124 dollari. Nel 2012 è nel cast del film Come un tuono insieme a Ryan Gosling, Bradley Cooper ed Eva Mendes.

Il 2013 la vede co-protagonista del film A prova di matrimonio (una commedia sulle vicende di una giovane coppia durante il primo anno di matrimonio) e della commedia Gli stagisti (The Internship), con Vince Vaughn e Owen Wilson. La Byrne è anche nel sequel di Insidious uscito nel settembre 2013. Nel 2015 è nel cast dell'action comedy di spionaggio Spy. Nel 2016 recita nuovamente nei panni di Moira MacTaggert in X-Men: Apocalisse

Nel corso della sua carriera ha ottenuto 2 nomination ai Golden Globe, 2 nomination agli Emmy Awards, una nomination agli Screen Actors Guild Awards e ha vinto la Coppa Volpi per la migliore interpretazione femminile alla 57ª Mostra internazionale d'arte cinematografica di Venezia per La dea del '67.