Nachdem sie in einer Reihe australischer Filme zu sehen gewesen war, gab Rose Byrne mit „Star Wars: Episode II – Attack of the Clones“ (2002) ihr Hollywood-Debüt, gefolgt von einer Rolle im Historienepos „Troja“ (2004). Es folgten Auftritte in so unterschiedlichen Filmen wie „Marie Antoinette“ (2006), „Sunshine“ (2007), „28 Weeks Later“ (2007) und „Knowing“ (2009). Byrne demonstrierte durchweg bemerkenswerte Vielseitigkeit, glänzte sowohl in Komödien wie „Bridesmaids“ (2011) als auch in Horrorfilmen wie „Insidious“ (2010). Sie spielte in Blockbustern wie „X-Men: Erste Entscheidung“ (2011) und der Fortsetzung „X-Men: Apocalypse“ (2016), nahm dazwischen aber auch Rollen in kleineren, gefeierten Werken wie „The Place Beyond the Pines“ (2012) und „Sieben verdammt lange Tage“ (2014) an. Sie war in Jon Stewarts politischer Komödie „Irresistible - Unwiderstehlich“ (2020) zu sehen, und wurde für ihre Hauptrolle im Independent-Drama „If I Had Legs I’d Kick You“ (2025) weithin gefeiert. Byrne verkörperte Gloria Steinem in der Miniserie „Mrs. America“ (2020) und spielte Hauptrollen in den Apple-TV+-Serien „Physical“ (2021–2023) und „Platonic“ (seit 2023) an der Seite von Seth Rogen.