Rosamund Pike est née dans le quartier d'Hammersmith, à Londres. 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 {{Lien}}. La famille a voyagé en Europe où elle est emmenée jusqu'à ce qu'elle ait sept ans, suite aux carrières de ses parents jouant dans des spectacles.
Elle a grandi à Bristol (Angleterre), où elle obtenu une bourse d'études à la {{Lien}} avant d'intégrer l'université d'Oxford, d'où elle sort diplômée en littérature anglaise en 2001. C'est à l'université qu'elle contracte le goût du théâtre et acquiert de l'expérience en jouant dans de nombreuses pièces, principalement du théâtre classique, Shakespeare notamment.
Remarquée à cette occasion par un agent, elle commence sa carrière professionnelle par des apparitions dans des mini-séries télévisées britanniques. Mais le rôle qui va véritablement la révéler au grand public est celui de l'agent double Miranda Frost dans le James Bond Meurs un autre jour, où elle partage l'affiche avec Pierce Brosnan et Halle Berry. Elle enchaîne ensuite avec des films comme Rochester, le dernier des libertins, qui lui vaudra le BAFTA de la meilleure actrice dans un second rôle, aux côtés de Johnny Depp, Doom, l'adaptation d'un jeu vidéo, et Orgueil et Préjugés, où elle tient le rôle de Jane Bennet.
Elle n'a cependant pas délaissé le théâtre et monte régulièrement sur les planches à Londres. Contrairement à ses débuts classiques, elle n'hésite pas à tenir des rôles plus audacieux, tel que celui de la pièce The Hitchcock Blonde, où elle apparaissait chaque soir entièrement nue sur scène.
En 2014, elle tient l'un des deux rôles principaux dans le thriller Gone Girl de David Fincher, film dans lequel sa prestation est acclamée par les spectateurs ainsi que par la critique.
Elle a été en couple durant deux ans avec Simon Woods, son partenaire dans Orgueil et Préjugés. Elle a été en couple avec le réalisateur Joe Wright, avec lequel elle était fiancée en 2007, mais il a annulé le mariage en 2008.
Depuis décembre 2009, elle est en couple avec Robbie Uniacke, chercheur en mathématiques, avec lequel elle a deux enfants, deux fils, Solo, né le 6 mai 2012 et Atom, né le 2 décembre 2014.
Elle vit actuellement à Londres. Violoncelliste accomplie, elle parle couramment français et allemand.