William Starke Rosecrans blev født den 6. september 1819 i Delaware County, Ohio. Williams far, Crandall Rosecrans, tjente under William Henry Harrison i krigen i 1812. Selv om han som barn havde en ringe formel uddannelse, blev Rosecrans anset for at være studievillig og intelligent. Da hans familie havde begrænsede økonomiske ressourcer, søgte han at blive udnævnt til United States Military Academy.
Rosecrans blev optaget på West Point i 1838. I løbet af sin tid der fik han øgenavnet “Rosy”, som skulle blive hængende ved ham resten af hans liv. I 1842 dimitterede han som nummer fem i en klasse på 56 og endte foran flere fremtidige generaler fra borgerkrigen, bl.a. John Pope, Abner Doubleday, D.H. Hill og James Longstreet. I 1843 giftede Rosecrans sig med Anna Elizabeth Hegeman, med hvem han senere skulle blive far til mindst fem børn. I 1845 konverterede han til katolicismen.
Rosecrans’ militære karriere fra tiden før Bellum var ubemærket. Efter at have hjulpet med opførelsen af kystforsvaret i Virginia blev han forflyttet tilbage til West Point, hvor han underviste i flere fag fra 1843 til 1847. I modsætning til mange af sine officerskolleger tjente Rosecrans aldrig i Mexico. Efter at have forladt West Point tjente han på flere ingeniørprojekter i hele USA. I 1851 blev han forbigået til en stilling ved Virginia Military Institute til fordel for Thomas J. Jackson.
Rosecrans tog afsked med militæret på grund af dårligt helbred i 1854 og forlod hæren som premierløjtnant. Selv om ingen af hans civile aktiviteter fra tiden før Bellum var særligt lukrative, fik Rosecrans dog flere patenter i denne periode. I 1859 eksploderede en eksperimentel olielampe, hvilket påførte Rosecrans alvorlige forbrændinger i ansigtet. Selv om skaden blev dækket af hans skæg, fik arene ham til at fremstå som om han konstant smilede.
Kort efter oprørernes bombardement af Fort Sumter blev Rosecrans ansat i George B. McClellans stab. I juni 1861 blev han udnævnt til oberst for 23rd Ohio Infantry og forfremmet til brigadegeneral i den regulære hær (med sin rang tilbagedateret til den 16. maj). I sommeren 1861 tjente Rosecrans under McClellan under det vellykkede unionsfelttog i det vestlige Virginia, hvilket banede vejen for dannelsen af staten West Virginia i 1863. Efter at McClellan blev bragt østpå for at overtage kommandoen over Army of the Potomac, fik Rosecrans kommandoen over Unionens styrker i regionen.
Og selv om Rosecrans var en effektiv kommandant, personligt modig og populær blandt sine mænd, var han til tider svær at komme overens med. En samtidige skrev, at “over for dem over ham var han altid punktlig, ofte irritabel og til tider beklageligvis indiskret.”
I maj 1862 blev Rosecrans overført til det vestlige teater og fik ansvaret for en fløj af John Popes Army of the Mississippi under belejringen af Corinth. Rosecrans erstattede Pope, efter at sidstnævnte blev bragt til Eastern Theater i sommeren 1862. Rosecrans’ overordnede officer var generalmajor Ulysses S. Grant, som havde kommandoen over alle Unionens styrker i og omkring det vestlige Tennessee. Rosecrans førte sine tropper til hårdt kæmpede sejre den 19. september ved Corinth, Mississippi og den 3.-4. oktober ved Iuka, Mississippi. Hans manglende aggressive forfølgelse af de konfødererede, der trak sig tilbage efter slaget ved Corinth, vakte imidlertid vrede hos general Grant.
Efter hans sejre ved Iuka og Corinth blev Rosecrans sendt til Kentucky for at erstatte Don Carlos Buell som chef for Cumberlandhæren. Under ledelse af sin nye kommandant kæmpede Army of the Cumberland Army mod Braxton Braggs Army of Tennessee til stilstand i slaget ved Stones River fra 31. december 1862 til 2. januar 1863. Rosecrans’ sejr var et hårdt tiltrængt lyspunkt i en dyster vinter for Unionens sag.
Trods stærkt pres fra præsident Lincoln afstod Rosecrans fra at rykke frem i de næste seks måneder. Endelig, i slutningen af juni, indledte Rosecrans en veludført offensiv, der tvang de konfødererede til at opgive den vigtige by Chattanooga i Tennessee og trække sig tilbage til Georgia. Ikke desto mindre forblev Braggs hær intakt, da Rosecrans fokuserede på at erobre territorium i stedet for at ødelægge fjendens styrker. Den 19. og 20. september slog Bragg tilbage nær Chickamauga Creek. I et af de få slag, hvor Unionen var i undertal, gav den konfødererede hær i Tennessee hæren et knusende slag mod Cumberlandhæren og sendte Rosecrans på flugt tilbage til Chattanooga, hvor de føderale styrker hurtigt blev belejret.
Efter katastrofen ved Chickamauga valgte Grant, som for nylig var blevet forfremmet til den overordnede kommando over Unionens styrker i vest, at fratage Rosecrans kommandoen og erstatte ham med generalmajor George Thomas. På vej til Chattanooga for at vurdere situationen mødte Grant Rosecrans, som var på vej tilbage mod nord. Grant skrev senere: “Vi havde en kort samtale, hvor han meget klart beskrev situationen i Chattanooga og kom med nogle fremragende forslag til, hvad der skulle gøres. Det undrede mig kun, at han ikke havde ført dem ud i livet.” Rosecrans forblev for sin del bitter over for Grant resten af sit liv og gav ham skylden for sit fald i unåde. Han skrev til sin ven James Garfield: “Jeg betragter min nuværende situation som en krænkelse af retfærdigheden, der kun har få paralleller i denne eller nogen anden krig. Men jeg tror fuldt og fast på uretfærdighedens endelige undergang.”
Og selv om han kommanderede Unionens styrker i Missouri i 1864, spillede Rosecrans ikke en væsentlig rolle i Unionens operationer i resten af krigen. I 1867 fratrådte han sin stilling i hæren. Et år senere blev han af præsident Andrew Johnson udnævnt til USA’s minister i Mexico og sad i stillingen i et år.
Rosecrans tilbragte en stor del af sit liv efter krigen i Californien. I 1880 blev han valgt til Kongressen som demokrat. Han repræsenterede Californiens 1. distrikt i to perioder, hvor han sad fra 1881 til 1885. I løbet af sin tid i Repræsentanternes Hus modsatte Rosecrans sig et lovforslag om at give en pension til sin gamle rival, Ulysses S. Grant, som på det tidspunkt var næsten fattig og døende af halskræft. Lovgivningen blev vedtaget på trods af Rosecrans’ indvendinger.
Rosecrans døde den 11. marts 1898. Han blev oprindeligt begravet på Rosedale Cemetery i Los Angeles, Californien. I 1902 blev hans lig genbegravet på Arlington National Cemetery.