Le père de Rossellini, un architecte connu de la capitale, 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.

Ses premiers pas de réalisateur seront des courts-métrages : ce sera, en 1936, Daphne (Daphné) puis, en 1938, Prélude à l'après-midi d'un faune qui sera 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 obtiendra la Coupe Mussolini pour le meilleur film italien (1) au Festival de Venise et sera l'un des films italiens ayant remporté un très vif succès, dans la première moitié du XXe siècle. Puis, en 1940, il aide 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, par rapport à d'autres apprentis.

Certains auteurs décrivent la première partie de sa carrière comme une suite de trilogies.

Son premier long métrage, Le Navire blanc (La Nave Bianca) en 1941, est parrainé par le centre audiovisuel de propagande de la marine italienne et représente son premier travail dans ce que l'on appellera la trilogie fasciste de Rossellini, qui inclut 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 et sa coopération avec Federico Fellini 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 l'aidait à écrire le 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, sorti en 1945 dramatique a un succès immédiat et obtiendra le Grand Prix du Festival de Cannes en 1947. Rossellini avait alors commencé sa deuxième trilogie qui sera appelée trilogie néoréaliste, dont le deuxième titre sera Païsa (Paisà), un film réalisé en 1946 avec des acteurs non professionnels dont Giulietta Masina, et le troisième intitulé Allemagne année zéro (Germania anno zero) (1948), 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 est censée avoir été, 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 l'étaient dans la réalité.

Après sa trilogie néoréaliste, Rossellini a produit deux films maintenant classifiés comme films transitoires : L'Amour (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 del'Arte).

1948 est l'année de l'amour; Rossellini reçoit une lettre d'une actrice étrangère se proposant pour travailler avec lui :

Cher M. Rossellini,
J'ai regardé vos films Open City et Paisan, et les ai beaucoup appréciés. Si vous avez besoin d'une actrice suédoise qui parle très bien anglais, qui n'a pas oublié son allemand, qui n'est pas très compréhensible en français, et qui en italien ne sait dire que " ti amo", alors je suis prête à venir faire un film avec vous.
Ingrid Bergman.

Par cette lettre célèbre est née une des plus populaires histoires d'amour du cinéma traditionnel, propulsant Ingrid Bergman et Rossellini au sommet de leur popularité et de leur influence. Ils ont commencé à travailler ensemble l'année suivante dans Stromboli terra di Dio (dans l'île du Stromboli, dont le volcan est commodément entré en éruption pendant le tournage du film) sorti en 1950, film suivi d' Europe 51 (Europa '51) sorti en 1952. En 1953, Voyage en Italie Viaggio in Italia a complété cette série qui sera appelée trilogie Ingrid.

Cette affaire a causé un grand scandale dans plusieurs pays (Bergman et Rossellini étaient tous les deux mariés chacun de leur côté); le scandale s'est amplifié quand les deux amants ont commencé à avoir des enfants (dont Isabella Rossellini qui connaîtra la célébrité en tant qu'actrice et Renzo Rossellini qui deviendra réalisateur). Ils se marieront 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 Senroy DasGupta qu'il épousera puis dont il divorcera 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, le cas échéant, seront adaptés pour le cinéma.

Revenant vers le cinéma, il réalisera en 1974 L'An un (Anno uno) et en 1976, Le Messie (Il Messia). Il devient en 1976, à la mort d'Henri Langlois, président de la Cinémathèque française. En 1977, il réalise un film sur Le Centre Georges Pompidou et accepte la présidence du jury au Festival de Cannes. Il s'éteindra à Rome peu de temps après.

1960 - Pour : LE GÉNÉRAL DELLA ROVERE - Ruban d'argent du meilleur réalisateur - Prix de la critique du cinéma italien.

1959 - Pour : LE GÉNÉRAL DELLA ROVERE - Prix de l'OCIC à la Mostra de Venise, Italie.

1959 - Pour : LE GÉNÉRAL DELLA ROVERE - Lion d'or à la Mostra de Venise, Italie.

1952 - Pour : EUROPE 51 - Grand Prix International de Venise à la Mostra de Venise, Italie.

1950 - Pour : L'AMORE - NYFCC Award du meilleur film étranger - New York Film Critics Circle, États-Unis.

1948 - Pour : PAÏSA - NBR Award du meilleur réalisateur - National Board of Review, États-Unis.

1948 - Pour : ALLEMAGNE ANNÉE ZÉRO - Grand Prix et Prix du meilleur scénario au Festival international du film de Locarno, Suisse.

1947 - Pour : PAÏSA - Ruban d'argent du meilleur réalisateur - Prix de la critique du cinéma italien.

1946 - Pour : ROME, VILLE OUVERTE - Grand Prix au Festival de Cannes, France.