Fille unique de chanteurs d'opéra professionnels, Rosamund Pike grandit à Londres, où elle entre à l'âge de 16 ans au célèbre National Youth Theatre. Elle étudie ensuite la littérature anglaise au Wadham College d'Oxford, tout en continuant à jouer, et fait ses débuts d'actrice à la télévision dans le téléfilm britannique Un couple peu ordinaire aux côtés d'Albert Finney, puis dans la série Wives and Daughters à la fin des années 1990.
En 2002, elle lance sa carrière cinématographique de façon fracassante en obtenant le rôle de Miranda Frost dans le 20ème épisode de la saga James Bond : Meurs un autre jour. Gardant un pied sur les planches, Rosamund Pike tient son premier rôle principal dans le film d'Amos Gitaï, Promised Land., où elle incarne aux côtés d'Anne Parillaud une journaliste qui découvre un trafic humain dans la bande de Gaza. Romance et histoire se mêlent à ses deux films suivants, Rochester, le dernier des libertins (2004) et Orgueil et préjugés (2005), avant que l'actrice ne retourne au film d'action avec l'adaptation du jeu vidéo Doom.
Rosamund Pike enchaîne ensuite les longs métrages plus discrets comme en 2007 avec La Faille de Gregory Hoblit ou Fugitive Pieces de Jeremy Podeswa. En 2009, elle est la femme de Bruce Willis dans le film Clones et celle de Paul Giamatti dans Le Monde de Barney en 2010.