William Starke Rosecrans se narodil 6. září 1819 v Delaware County v Ohiu. Williamův otec, Crandall Rosecrans, sloužil pod Williamem Henrym Harrisonem ve válce roku 1812. Ačkoli měl Rosecrans v dětství jen malé formální vzdělání, byl považován za učenlivého a inteligentního. Protože jeho rodina měla omezené finanční prostředky, usiloval o jmenování na Vojenskou akademii Spojených států amerických.
Rosecrans nastoupil na West Point v roce 1838. Během svého pobytu tam získal přezdívku „Rosy“, která se ho držela po zbytek života. V roce 1842 absolvoval jako pátý v 56členném ročníku a dostal se tak před několik budoucích generálů občanské války, včetně Johna Popea, Abnera Doubledaye, D. H. Hilla a Jamese Longstreeta. V roce 1843 se Rosecrans oženil s Annou Elizabeth Hegemanovou, s níž nakonec zplodil nejméně pět dětí. V roce 1845 konvertoval ke katolicismu.
Rosecransova předválečná vojenská kariéra byla nevýrazná. Poté, co pomáhal s výstavbou pobřežní obrany ve Virginii, byl převelen zpět na West Point, kde v letech 1843-1847 vyučoval více předmětů. Na rozdíl od mnoha svých kolegů důstojníků Rosecrans nikdy nesloužil v Mexiku. Po odchodu z West Pointu sloužil na mnoha inženýrských projektech po celých Spojených státech. V roce 1851 byl přijat na místo ve Virginském vojenském institutu ve prospěch Thomase J. Jacksona.
Rosecrans v roce 1854 kvůli špatnému zdravotnímu stavu odešel z armády jako nadporučík. Ačkoli žádná z jeho civilních činností v době před nástupem vlády nebyla nijak zvlášť výnosná, Rosecrans v tomto období získal několik patentů. V roce 1859 explodovala experimentální olejová lampa a způsobila Rosecransovi vážné popáleniny v obličeji. Přestože poškození zakrývaly jeho vousy, jizvy způsobily, že vypadal, jako by se neustále usmíval.
Krátce po povstaleckém bombardování pevnosti Fort Sumter se Rosecrans připojil ke štábu George B. McClellana. V červnu 1861 byl jmenován plukovníkem 23. pěšího pluku v Ohiu a povýšen na brigádního generála pravidelné armády (s hodností zpětně od 16. května). V létě 1861 Rosecrans sloužil pod McClellanem během úspěšného tažení Unie v západní Virginii, které připravilo půdu pro vznik státu Západní Virginie v roce 1863. Poté, co byl McClellan převelen na východ, aby převzal velení Potomacké armády, byl Rosecrans pověřen velením unijních sil v regionu.
Ačkoli byl Rosecrans účinným velitelem, osobně odvážným a oblíbeným u svých mužů, bylo s ním občas obtížné vyjít. Jeden současník o něm napsal: „K těm, kdo byli nad ním, byl vždy puntičkářský, často popudlivý a někdy žalostně indiskrétní.“
V květnu 1862 byl Rosecrans převelen do západního divadla a pověřen velením křídla Mississippské armády Johna Popea během obléhání Corinthu. Rosecrans nahradil Popea poté, co byl tento v létě 1862 převelen do Východního divadla. Rosecransovým nadřízeným důstojníkem byl generálmajor Ulysses S. Grant, který velel všem silám Unie v západním Tennessee a jeho okolí. Rosecrans vedl své jednotky k těžce vybojovaným vítězstvím 19. září u Corinthu ve státě Mississippi a 3.-4. října u Iuky ve státě Mississippi. Jeho neschopnost agresivně pronásledovat ustupující konfederáty po bitvě u Corinthu si však vysloužila hněv generála Granta.
Po vítězstvích u Iuky a Corinthu byl Rosecrans poslán do Kentucky, aby nahradil Dona Carlose Buella ve funkci velitele Cumberlandské armády. Pod vedením svého nového velitele bojovala Cumberlandská armáda od 31. prosince 1862 do 2. ledna 1863 s Armádou Tennessee Braxtona Bragga v bitvě u Stones River. Rosecransovo vítězství bylo pro Unii tolik potřebným světlým bodem v pochmurné zimě.
Přes silný tlak prezidenta Lincolna se Rosecrans následujících šest měsíců zdržel postupu. Nakonec koncem června Rosecrans zahájil dobře provedenou ofenzívu, která donutila Konfederaci opustit důležité město Chattanooga v Tennessee a ustoupit do Georgie. Braggova armáda nicméně zůstala nedotčena, protože Rosecrans se soustředil spíše na dobývání území než na ničení nepřátelských sil. Ve dnech 19. a 20. září Bragg udeřil zpět u Chickamauga Creek. V jedné z mála bitev, v níž měla Unie početní převahu, zasadila Konfederační armáda Tennessee Cumberlandské armádě drtivý úder a poslala Rosecranse na útěk zpět do Chattanoogy, kde byly federální jednotky rychle obleženy.
Po katastrofě u Chickamaugy se Grant, který byl nedávno povýšen do funkce celkového velitele unijních sil na západě, rozhodl Rosecranse zbavit velení a nahradit ho generálmajorem Georgem Thomasem. Na cestě do Chattanoogy, aby zhodnotil situaci, se Grant setkal s Rosecransem, který se vracel na sever. Grant později napsal: „Vedli jsme krátký rozhovor, v němž velmi jasně popsal situaci v Chattanooze a předložil několik vynikajících návrhů, co by se mělo udělat. Jediné, čemu jsem se divil, bylo, že je neprovedl.“ Rosecrans ze své strany zůstal vůči Grantovi zahořklý až do konce života a obviňoval ho ze svého pádu z nemilosti. Svému příteli Jamesi Garfieldovi napsal: „Považuji svou současnou situaci za urážku spravedlnosti, která má v této nebo jakékoli jiné válce jen málo obdoby. Jsem však pevně přesvědčen o konečném pádu bezpráví.“
Ačkoli v roce 1864 velel unijním silám v Missouri, po zbytek války Rosecrans nehrál v unijních operacích významnou roli. V roce 1867 se vzdal svého pověření v armádě. O rok později byl prezidentem Andrewem Johnsonem jmenován ministrem Spojených států v Mexiku a tuto funkci vykonával jeden rok.
Rosecrans strávil většinu svého poválečného života v Kalifornii. V roce 1880 byl jako demokrat zvolen do Kongresu. Kalifornský 1. obvod zastupoval po dvě volební období, v letech 1881 až 1885. Během svého působení ve Sněmovně reprezentantů se Rosecrans postavil proti návrhu zákona o poskytnutí penze svému dávnému rivalovi Ulyssesu S. Grantovi, který byl v té době téměř bez prostředků a umíral na rakovinu hrdla. Zákon byl přes Rosecransovy námitky přijat.
Rosecrans zemřel 11. března 1898. Původně byl pohřben na hřbitově Rosedale v Los Angeles v Kalifornii. V roce 1902 bylo jeho tělo znovu pohřbeno na Arlingtonském národním hřbitově.