William Starke Rosecrans syntyi 6. syyskuuta 1819 Delawaren piirikunnassa Ohiossa. Williamin isä Crandall Rosecrans palveli William Henry Harrisonin alaisuudessa vuoden 1812 sodassa. Vaikka hänellä oli lapsena vain vähän muodollista koulutusta, Rosecransia pidettiin oppeliaana ja älykkäänä. Koska hänen perheellään oli rajalliset taloudelliset resurssit, hän haki nimitystä Yhdysvaltain sotilasakatemiaan.
Rosecrans pääsi West Pointiin vuonna 1838. Siellä ollessaan hän sai lempinimen ”Rosy”, joka säilyi hänen mukanaan koko hänen loppuelämänsä ajan. Vuonna 1842 hän valmistui viidenneksi 56 hengen luokassaan, ja hän sijoittui useiden tulevien sisällissodan kenraalien, kuten John Popen, Abner Doubledayn, D.H. Hillin ja James Longstreetin edelle. Vuonna 1843 Rosecrans avioitui Anna Elizabeth Hegemanin kanssa, jonka kanssa hänellä oli lopulta ainakin viisi lasta. Vuonna 1845 hän kääntyi katolilaiseksi.
Rosecransin sotilasura ennen keskiaikaa oli merkityksetön. Avustettuaan rannikkopuolustuksen rakentamisessa Virginiassa hänet siirrettiin takaisin West Pointiin, jossa hän opetti useita oppiaineita vuosina 1843-1847. Toisin kuin monet upseeritoverinsa, Rosecrans ei koskaan palvellut Meksikossa. West Pointista lähdettyään hän palveli useissa insinöörityöhankkeissa eri puolilla Yhdysvaltoja. Vuonna 1851 hänet ohitettiin virkaan Virginian sotilasyliopistoon Thomas J. Jacksonin hyväksi.
Rosecrans erosi armeijasta huonon terveydentilan vuoksi vuonna 1854 ja jätti armeijan yliluutnanttina. Vaikka mikään hänen antebellum-siviiliharrastuksistaan ei ollut erityisen tuottoisa, Rosecrans ansaitsi useita patentteja tänä aikana. Vuonna 1859 kokeellinen öljylamppu räjähti ja aiheutti Rosecransille vakavia palovammoja kasvoihin. Vaikka vauriot peittyivät hänen partaansa alle, arvet aiheuttivat sen, että hän näytti jatkuvasti virnistelevän.
Lyhyesti kapinallisten pommitettua Sumterin linnaketta Rosecrans liittyi George B. McClellanin esikuntaan. Kesäkuussa 1861 hänet nimitettiin 23. Ohion jalkaväkijoukkojen everstiksi ja ylennettiin prikaatikenraaliksi kanta-armeijassa (hänen arvonsa takautui 16. toukokuuta). Kesällä 1861 Rosecrans palveli McClellanin alaisuudessa unionin menestyksekkäässä Länsi-Virginian kampanjassa, joka raivasi tietä Länsi-Virginian osavaltion perustamiselle vuonna 1863. Kun McClellan vietiin itään Potomacin armeijan komentajaksi, Rosecrans sai komennettavakseen unionin joukot alueella.
Vaikka Rosecrans oli tehokas komentaja, henkilökohtaisesti rohkea ja miestensa suosiossa, hänen kanssaan oli toisinaan vaikea tulla toimeen. Eräs aikalainen kirjoitti, että ”yläpuolellaan oleville hän oli aina täsmällinen, usein ärtyisä ja toisinaan valitettavan tahditon.”
Toukokuussa 1862 Rosecrans siirrettiin läntiselle sotateatterille ja hänet asetettiin johtamaan John Popen Mississippin armeijan siipeä Corinthin piirityksen aikana. Rosecrans korvasi Popen sen jälkeen, kun tämä siirrettiin Itäiselle teatterille kesällä 1862. Rosecransin esimies oli kenraalimajuri Ulysses S. Grant, joka komensi kaikkia unionin joukkoja Länsi-Tennesseessä ja sen ympäristössä. Rosecrans johti joukkonsa koviin voittoihin 19. syyskuuta Corinthissa Mississippin osavaltiossa ja 3.-4. lokakuuta Iukassa Mississippin osavaltiossa. Hänen epäonnistumisensa perääntyvien konfederaattien aggressiivisessa takaa-ajossa Corinthin taistelun jälkeen herätti kuitenkin kenraali Grantin vihan.
Iukan ja Corinthin voittojen jälkeen Rosecrans lähetettiin Kentuckyyn Don Carlos Buellin tilalle Cumberlandin armeijan komentajaksi. Uuden komentajansa johdolla Cumberlandin armeija taisteli Braxton Braggin Tennesseen armeijaa vastaan umpikujaan Stones Riverin taistelussa 31. joulukuuta 1862-2. tammikuuta 1863. Rosecransin voitto oli unionin kannalta kipeästi kaivattu valopilkku synkässä talvessa.
Presidentti Lincolnin voimakkaasta painostuksesta huolimatta Rosecrans pidättäytyi etenemästä seuraavien kuuden kuukauden ajan. Lopulta kesäkuun lopulla Rosecrans aloitti hyvin toteutetun hyökkäyksen, joka pakotti konfederaation luopumaan elintärkeästä Chattanoogan kaupungista Tennesseessä ja vetäytymään Georgiaan. Braggin armeija pysyi kuitenkin koskemattomana, sillä Rosecrans keskittyi pikemminkin alueen valtaamiseen kuin vihollisjoukkojen tuhoamiseen. Syyskuun 19. ja 20. päivänä Bragg iski takaisin Chickamauga Creekin lähellä. Yhdessä harvoista taisteluista, joissa unioni oli alakynnessä, Tennesseen konfederaation armeija antoi murskaavan iskun Cumberlandin armeijalle ja lähetti Rosecransin pakenemaan takaisin Chattanoogaan, jossa liittovaltion joukot piiritettiin nopeasti.
Chickamaugan katastrofin jälkeen Grant, joka oli hiljattain ylennetty unionin joukkojen yleiskomentajaksi lännessä, päätti vapauttaa Rosecransin komennosta ja korvata hänet kenraalimajuri George Thomasilla. Matkalla Chattanoogaan arvioimaan tilannetta Grant kohtasi Rosecransin, joka oli palaamassa pohjoiseen. Grant kirjoitti myöhemmin: ”kävimme lyhyen keskustelun, jossa hän kuvaili hyvin selvästi Chattanoogan tilannetta ja teki joitakin erinomaisia ehdotuksia siitä, mitä pitäisi tehdä. Ihmettelin vain sitä, että hän ei ollut toteuttanut niitä”. Rosecrans puolestaan pysyi katkerana Grantia kohtaan koko loppuelämänsä ajan ja syytti häntä omasta putoamisestaan. Hän kirjoitti ystävälleen James Garfieldille: ”Pidän nykyistä tilannettani oikeudenmukaisuuden loukkauksena, jolla ei ole juurikaan vertaistaan tässä tai missään muussa sodassa. Mutta uskon vakaasti vääryyden lopulliseen kukistumiseen.”
Vaikka hän komensi unionin joukkoja Missourissa vuonna 1864, Rosecransilla ei ollut merkittävää roolia unionin operaatioissa loppusodan aikana. Vuonna 1867 hän erosi armeijan palveluksesta. Vuotta myöhemmin presidentti Andrew Johnson nimitti hänet Yhdysvaltain Meksikon-ministeriksi, ja hän toimi tehtävässä vuoden ajan.
Rosecrans vietti suuren osan sodan jälkeisestä elämästään Kaliforniassa. Vuonna 1880 hänet valittiin kongressiin demokraattipuolueena. Hän edusti Kalifornian 1. piiriä kahden kauden ajan vuosina 1881-1885. Edustajainhuoneessa ollessaan Rosecrans vastusti lakiehdotusta eläkkeen myöntämisestä vanhalle kilpailijalleen Ulysses S. Grantille, joka oli tuolloin lähes varaton ja kuolemassa kurkkusyöpään. Laki hyväksyttiin Rosecransin vastustuksesta huolimatta.
Rosecrans kuoli 11. maaliskuuta 1898. Hänet haudattiin alun perin Rosedalen hautausmaalle Los Angelesiin, Kaliforniaan. Vuonna 1902 hänen ruumiinsa haudattiin uudelleen Arlingtonin kansalliseen hautausmaahan.