William Starke Rosecrans werd op 6 september 1819 geboren in Delaware County, Ohio. William’s vader, Crandall Rosecrans, diende onder William Henry Harrison in de Oorlog van 1812. Hoewel hij als kind weinig formele opleiding had genoten, werd Rosecrans beschouwd als leergierig en intelligent. Omdat zijn familie over beperkte financiële middelen beschikte, zocht hij een aanstelling op de United States Military Academy.
Rosecrans ging in 1838 naar West Point. Tijdens zijn verblijf daar kreeg hij de bijnaam “Rosy”, die hem de rest van zijn leven zou bijblijven. In 1842 behaalde hij zijn vijfde diploma in een klas van 56, waarmee hij verschillende toekomstige generaals uit de Burgeroorlog voorbleef, waaronder John Pope, Abner Doubleday, D.H. Hill, en James Longstreet. In 1843 trouwde Rosecrans met Anna Elizabeth Hegeman, bij wie hij uiteindelijk tenminste vijf kinderen zou verwekken. In 1845 bekeerde hij zich tot het katholicisme.
Rosecrans’ antebellum militaire carrière was onopmerkelijk. Nadat hij had geholpen bij de aanleg van kustverdedigingswerken in Virginia, werd hij teruggeplaatst naar West Point, waar hij van 1843 tot 1847 meerdere vakken doceerde. In tegenstelling tot veel van zijn collega-officieren, diende Rosecrans nooit in Mexico. Nadat hij West Point had verlaten, werkte hij aan verschillende technische projecten in de Verenigde Staten. In 1851 werd hij gepasseerd voor een baan aan het Virginia Military Institute ten gunste van Thomas J. Jackson.
Rosecrans nam in 1854 wegens een slechte gezondheid ontslag uit het leger als Eerste Luitenant. Hoewel geen van zijn burgerlijke bezigheden in het antebellum bijzonder lucratief was, verwierf Rosecrans in deze periode toch verscheidene patenten. In 1859 ontplofte een experimentele olielamp, waardoor Rosecrans ernstige brandwonden aan zijn gezicht opliep. Hoewel de schade door zijn baard werd bedekt, leken de littekens hem voortdurend te doen grijnzen.
Kort na het rebellenbombardement op Fort Sumter kwam Rosecrans bij de staf van George B. McClellan. In juni 1861 werd hij benoemd tot kolonel van de 23ste Ohio Infantry en bevorderd tot brigadegeneraal in het reguliere leger (met zijn rang met terugwerkende kracht tot 16 mei). In de zomer van 1861 diende Rosecrans onder McClellan tijdens de succesvolle campagne van de Unie in het westen van Virginia, waardoor de weg werd vrijgemaakt voor de vorming van de staat West Virginia in 1863. Nadat McClellan naar het oosten was overgeplaatst om het bevel te voeren over het leger van de Potomac, kreeg Rosecrans het bevel over de strijdkrachten van de Unie in de regio.
Hoewel Rosecrans een effectief bevelhebber was, persoonlijk moedig, en populair bij zijn mannen, was hij soms moeilijk om mee om te gaan. Een tijdgenoot schreef: “Tegenover degenen boven hem was hij altijd nauwgezet, vaak opvliegend en soms betreurenswaardig indiscreet.”
In mei 1862 werd Rosecrans overgeplaatst naar het Westelijk Theater en kreeg hij de leiding over een vleugel van John Pope’s Leger van de Mississippi tijdens het Beleg van Korinthe. Rosecrans verving Pope nadat deze in de zomer van 1862 naar het Eastern Theater was overgeplaatst. Rosecrans’ superieure officier was generaal-majoor Ulysses S. Grant, die het bevel voerde over alle strijdkrachten van de Unie in en rond West-Tennessee. Rosecrans leidde zijn troepen naar zwaarbevochten overwinningen op 19 september bij Corinth, Mississippi en op 3-4 oktober bij Iuka, Mississippi. Zijn falen om de terugtrekkende Confederaten te achtervolgen na de Slag van Korinthe, leverde hem echter de woede van Generaal Grant op.
Na zijn overwinningen bij Iuka en Korinthe werd Rosecrans naar Kentucky gezonden om Don Carlos Buell te vervangen als bevelhebber van het Leger van de Cumberland. Onder leiding van zijn nieuwe commandant vocht het Leger van de Cumberland tegen Braxton Bragg’s Leger van Tennessee tot stilstand bij de Slag om Stones River van 31 december 1862 tot 2 januari 1863. Rosecrans’ overwinning was een broodnodig lichtpunt in een sombere winter voor de zaak van de Unie.
Ondanks zware druk van President Lincoln, zag Rosecrans er de volgende zes maanden van af om op te rukken. Tenslotte begon Rosecrans eind juni een goed uitgevoerd offensief dat de Geconfedereerden dwong de vitale stad Chattanooga in Tennessee te verlaten en zich in Georgia terug te trekken. Desondanks bleef het leger van Bragg intact, omdat Rosecrans zich meer concentreerde op het veroveren van grondgebied dan op het vernietigen van vijandelijke troepen. Op 19 en 20 september sloeg Bragg terug in de buurt van Chickamauga Creek. In een van de weinige gevechten waarin de Unie in de minderheid was, bracht het Geconfedereerde Leger van Tennessee een verpletterende slag toe aan het Leger van de Cumberland, waardoor Rosecrans terugvluchtte naar Chattanooga, waar de federale troepen snel werden belegerd.
Na de ramp bij Chickamauga koos Grant, die onlangs gepromoveerd was tot opperbevelhebber van de strijdkrachten van de Unie in het westen, ervoor Rosecrans van het commando te ontheffen en hem te vervangen door Generaal-majoor George Thomas. Op weg naar Chattanooga om de situatie te beoordelen, kwam Grant Rosecrans tegen, die op weg was naar het noorden. Grant schreef later, “we hielden een kort onderhoud, waarin hij zeer duidelijk de situatie bij Chattanooga beschreef, en enkele uitstekende suggesties deed over wat er gedaan moest worden. Mijn enige verbazing was dat hij ze niet had uitgevoerd.” Rosecrans van zijn kant bleef de rest van zijn leven verbitterd tegenover Grant en gaf hem de schuld van zijn val uit de gratie. Hij schreef aan zijn vriend James Garfield: “Ik beschouw mijn huidige situatie als een schandaal voor de gerechtigheid dat zijn gelijke in deze of enige andere oorlog niet kent. Maar ik geloof vast in de uiteindelijke ondergang van de ongerechtigheid.”
Hoewel hij in 1864 het bevel voerde over de strijdkrachten van de Unie in Missouri, speelde Rosecrans de rest van de oorlog geen rol van betekenis meer in de operaties van de Unie. In 1867 legde hij zijn functie in het leger neer. Een jaar later werd hij door President Andrew Johnson benoemd tot minister van de Verenigde Staten in Mexico en vervulde deze functie een jaar lang.
Rosecrans bracht een groot deel van zijn naoorlogse leven door in Californië. In 1880 werd hij als Democraat in het Congres gekozen. Hij vertegenwoordigde het 1e District van Californië gedurende twee termijnen, van 1881 tot 1885. Tijdens zijn periode in het Huis van Afgevaardigden verzette Rosecrans zich tegen een wetsvoorstel om zijn oude rivaal, Ulysses S. Grant, die op dat moment bijna berooid was en stervende aan keelkanker, een pensioen te geven. De wetgeving werd aangenomen over de bezwaren van Rosecrans heen.
Rosecrans stierf op 11 maart 1898. Hij werd aanvankelijk begraven op Rosedale Cemetery in Los Angeles, Californië. In 1902 werd zijn lichaam herbegraven op Arlington National Cemetery.