William Starke Rosecrans 1819. szeptember 6-án született az ohiói Delaware megyében. William apja, Crandall Rosecrans William Henry Harrison alatt szolgált az 1812-es háborúban. Bár gyermekkorában kevés hivatalos oktatásban részesült, Rosecranst szorgalmasnak és intelligensnek tartották. Mivel családjának korlátozottak voltak az anyagi lehetőségei, az Egyesült Államok Katonai Akadémiájára kérte felvételét.
Rosecrans 1838-ban lépett be a West Pointra. Az ott töltött idő alatt kiérdemelte a “Rosy” becenevet, amely egész hátralévő életében megmaradt. 1842-ben 56 fős osztályában ötödikként végzett, megelőzve számos későbbi polgárháborús tábornokot, köztük John Pope-ot, Abner Doubledayt, D. H. Hillt és James Longstreetet. 1843-ban Rosecrans feleségül vette Anna Elizabeth Hegemant, akitől végül legalább öt gyermeke született. 1845-ben áttért a katolikus hitre.
Rosecrans középkor előtti katonai karrierje nem volt figyelemre méltó. Miután segédkezett a virginiai parti védművek építésében, visszahelyezték a West Pointra, ahol 1843 és 1847 között több tantárgyat is tanított. Sok tiszttársával ellentétben Rosecrans soha nem szolgált Mexikóban. Miután elhagyta a West Pointot, számos mérnöki projektben szolgált az Egyesült Államokban. 1851-ben Thomas J. Jackson javára elutasították a Virginiai Katonai Intézetben betöltendő állásra.
Rosecrans 1854-ben rossz egészségi állapota miatt kilépett a hadseregből, és főhadnagyként távozott. Bár a polgárkor előtti polgári foglalkozásai közül egyik sem volt különösebben jövedelmező, Rosecrans több szabadalmat is szerzett ebben az időszakban. 1859-ben egy kísérleti olajlámpa felrobbant, súlyos égési sérüléseket okozva Rosecrans arcán. Bár a sérüléseket a szakálla eltakarta, a hegek miatt úgy tűnt, mintha állandóan vigyorogna.
Röviddel a Sumter-erőd lázadók általi bombázása után Rosecrans George B. McClellan vezérkarához csatlakozott. 1861 júniusában kinevezték a 23. ohiói gyalogezred ezredesévé, és a reguláris hadseregben dandártábornokká léptették elő (rangját május 16-ra visszadátumozva). 1861 nyarán Rosecrans McClellan alatt szolgált az Unió sikeres nyugat-virginiai hadjárata során, amely megnyitotta az utat Nyugat-Virginia állam 1863-as megalakulása előtt. Miután McClellant keletre vitték, hogy átvegye a Potomac hadsereg parancsnokságát, Rosecrans kapta meg a térségben lévő uniós erők parancsnokságát.
Noha Rosecrans hatékony parancsnok volt, személyesen bátor és népszerű az emberei körében, időnként nehéz volt vele kijönni. Egy kortárs így írt róla: “A fölötte állókkal szemben mindig pontos volt, gyakran ingerlékeny, és időnként sajnálatosan indiszkrét.”
1862 májusában Rosecrans-t áthelyezték a nyugati hadszíntérre, és John Pope Mississippi hadseregének egyik szárnyának parancsnokává tették Corinth ostroma idején. Rosecrans váltotta Pope-ot, miután az utóbbi 1862 nyarán a Keleti Színházba került. Rosecrans felettese Ulysses S. Grant vezérőrnagy volt, aki a Tennessee nyugati részén és környékén lévő összes uniós erőnek parancsnokolt. Rosecrans szeptember 19-én a Mississippi állambeli Corinthnál és október 3-4-én a Mississippi állambeli Iukánál kemény harcokban aratott győzelemre vezette csapatait. Azzal azonban, hogy a korinthi csata után nem üldözte agresszívan a visszavonuló konföderációsokat, kivívta Grant tábornok haragját.
Az Iukánál és Corinthnál aratott győzelmek után Rosecrans-t Kentuckyba küldték Don Carlos Buell helyére a Cumberlandi Hadsereg parancsnokaként. Új parancsnoka vezetésével a Cumberlandi Hadsereg 1862. december 31-től 1863. január 2-ig a Stones River-i csatában holtpontig küzdött Braxton Bragg Tennessee-i hadseregével. Rosecrans győzelme nagy szükség volt az Unió számára egy borús tél fénypontja volt.
Lincoln elnök erős nyomása ellenére Rosecrans a következő hat hónapban tartózkodott az előrenyomulástól. Végül június végén Rosecrans jól végrehajtott offenzívába kezdett, amely arra kényszerítette a konföderációkat, hogy feladják a Tennessee állambeli Chattanooga létfontosságú városát, és visszavonuljanak Georgiába. Ennek ellenére Bragg hadserege sértetlen maradt, mivel Rosecrans az ellenséges erők megsemmisítése helyett inkább a terület elfoglalására összpontosított. Szeptember 19-én és 20-án Bragg visszavágott a Chickamauga Creek közelében. Azon kevés csaták egyikében, amelyekben az Unió túlerőben volt, a Tennessee-i Konföderációs Hadsereg megsemmisítő csapást mért a Cumberlandi Hadseregre, és Rosecrans visszamenekült Chattanoogába, ahol a szövetségi erők gyorsan ostrom alá vették.
A chickamaugai katasztrófa után Grant, akit nemrég léptettek elő a nyugati uniós erők főparancsnokává, úgy döntött, hogy felmenti Rosecranst a parancsnokság alól, és George Thomas vezérőrnaggyal helyettesíti. Útban Chattanooga felé, hogy felmérje a helyzetet, Grant találkozott Rosecransszal, aki éppen visszafelé tartott északra. Grant később ezt írta: “rövid beszélgetést folytattunk, amelyben nagyon világosan leírta a chattanoogai helyzetet, és néhány kiváló javaslatot tett arra vonatkozóan, hogy mit kellene tenni. Csak azon csodálkoztam, hogy nem hajtotta végre őket”. Rosecrans a maga részéről élete végéig keserű maradt Grant iránt, őt hibáztatva a bukásáért. Barátjának, James Garfieldnek ezt írta: “Jelenlegi helyzetemet az igazság ellen elkövetett gyalázatnak tartom, amelynek kevés párhuzama van ebben vagy bármely más háborúban. De szilárdan hiszek a gonoszság végső bukásában.”
Noha 1864-ben Missouriban az uniós erők parancsnoka volt, Rosecrans a háború hátralévő részében nem játszott jelentős szerepet az uniós hadműveletekben. 1867-ben lemondott a hadseregben betöltött megbízatásáról. Egy évvel később Andrew Johnson elnök kinevezte az Egyesült Államok mexikói miniszterévé, és egy évig töltötte be ezt a tisztséget.
Rosecrans a háború utáni életének nagy részét Kaliforniában töltötte. 1880-ban demokrataként beválasztották a kongresszusba. Két cikluson keresztül képviselte Kalifornia 1. körzetét, 1881 és 1885 között. A képviselőházban töltött ideje alatt Rosecrans ellenezte azt a törvényjavaslatot, amely nyugdíjat biztosított volna régi riválisának, Ulysses S. Grantnek, aki akkoriban szinte nincstelen volt és torokrákban haldoklott. A törvényt Rosecrans tiltakozása ellenére elfogadták.
Rosecrans 1898. március 11-én halt meg. Eredetileg a kaliforniai Los Angelesben lévő Rosedale temetőben temették el. Holttestét 1902-ben az Arlington Nemzeti Temetőben temették újra.