William Starke Rosecrans urodził się 6 września 1819 roku w Delaware County, Ohio. Ojciec Williama, Crandall Rosecrans, służył pod Williamem Henrym Harrisonem w wojnie 1812 roku. Mimo że w dzieciństwie nie miał formalnego wykształcenia, Rosecrans był uważany za uczonego i inteligentnego. Ponieważ jego rodzina miała ograniczone zasoby finansowe, starał się o przyjęcie do Akademii Wojskowej Stanów Zjednoczonych.
Rosecrans wstąpił do West Point w 1838 roku. Podczas pobytu tam zyskał przydomek „Rosy”, który przylgnął do niego do końca życia. W 1842 roku ukończył szkołę jako piąty w klasie liczącej 56 osób, wyprzedzając kilku przyszłych generałów wojny secesyjnej, w tym Johna Pope’a, Abnera Doubledaya, D.H. Hilla i Jamesa Longstreeta. W 1843 r. Rosecrans poślubił Annę Elizabeth Hegeman, z którą miał mieć co najmniej pięcioro dzieci. W 1845 roku przeszedł na katolicyzm.
Kariera wojskowa Rosecransa w okresie antebellum nie była nadzwyczajna. Po asystowaniu przy budowie obrony wybrzeża w Wirginii, został przeniesiony z powrotem do West Point, gdzie w latach 1843-1847 uczył wielu przedmiotów. W przeciwieństwie do wielu swoich kolegów oficerów, Rosecrans nigdy nie służył w Meksyku. Po opuszczeniu West Point służył przy wielu projektach inżynieryjnych w całych Stanach Zjednoczonych. W 1851 roku został odrzucony jako kandydat do pracy w Virginia Military Institute na rzecz Thomasa J. Jacksona.
Rosecrans zrezygnował z wojska ze względu na zły stan zdrowia w 1854 roku, opuszczając armię w stopniu pierwszego porucznika. Choć żadna z jego cywilnych działalności w okresie antebellum nie była szczególnie lukratywna, Rosecrans zdobył w tym czasie kilka patentów. W 1859 roku eksplodowała eksperymentalna lampa naftowa, powodując u Rosecransa poważne oparzenia twarzy. Chociaż uszkodzenia zostały zakryte przez jego brodę, blizny sprawiały, że wyglądał, jakby ciągle się uśmiechał.
Wkrótce po rebelianckim bombardowaniu Fortu Sumter, Rosecrans dołączył do sztabu George’a B. McClellana. W czerwcu 1861 roku został mianowany pułkownikiem 23 Ohio Infantry i awansowany na generała brygady w Armii Regularnej (z rangą cofniętą do 16 maja). Latem 1861 roku Rosecrans służył pod McClellanem podczas udanej kampanii Unii w zachodniej Wirginii, torując drogę do powstania stanu Wirginia Zachodnia w 1863 roku. Po tym jak McClellan został sprowadzony na wschód, by objąć dowództwo Armii Potomaku, Rosecrans otrzymał dowództwo nad siłami Unii w tym regionie.
Ale Rosecrans był skutecznym dowódcą, odważnym osobiście i lubianym przez swoich ludzi, czasami trudno było się z nim dogadać. Jeden ze współczesnych napisał, że „dla tych, którzy byli nad nim, był zawsze punktualny, często drażliwy, a czasami żałośnie niedyskretny.”
W maju 1862 roku Rosecrans został przeniesiony na teatr zachodni i stanął na czele skrzydła Armii Missisipi Johna Pope’a podczas oblężenia Corinth. Rosecrans zastąpił Pope’a po tym, jak ten ostatni został przeniesiony na Teatr Wschodni latem 1862 roku. Wyższym oficerem Rosecransa był generał major Ulysses S. Grant, który dowodził wszystkimi siłami Unii w zachodnim Tennessee i jego okolicach. Rosecrans poprowadził swoje oddziały do ciężkich zwycięstw 19 września pod Corinth, Mississippi i 3-4 października pod Iuka, Mississippi. Jego zaniechanie agresywnego pościgu za wycofującymi się Konfederatami po bitwie pod Corinth zaskarbiło sobie jednak gniew generała Granta. Po klęsce pod Chickamauga, Grant, który niedawno został awansowany na ogólnego dowódcę sił Unii na zachodzie, zdecydował się zwolnić Rosecransa z dowództwa, zastępując go generałem dywizji George’em Thomasem. W drodze do Chattanoogi, aby ocenić sytuację, Grant spotkał Rosecransa, który był w drodze powrotnej na północ. Grant napisał później: „odbyliśmy krótką rozmowę, w której opisał on bardzo jasno sytuację w Chattanooga i przedstawił kilka doskonałych sugestii, co należy zrobić. Dziwi mnie tylko, że ich nie zrealizował”. Ze swej strony Rosecrans pozostał zgorzkniały wobec Granta do końca życia, obwiniając go za swój upadek z łaski. Napisał do swojego przyjaciela Jamesa Garfielda: „Uważam moją obecną sytuację za zniewagę sprawiedliwości, która ma niewiele odpowiedników w tej lub jakiejkolwiek innej wojnie. Ale jestem zdecydowanym zwolennikiem ostatecznego upadku nieprawości.” Ale chociaż dowodził siłami Unii w Missouri w 1864 roku, Rosecrans nie odgrywał znaczącej roli w operacjach Unii przez resztę wojny. W 1867 roku zrezygnował z członkostwa w armii. Rok później został mianowany przez prezydenta Andrew Johnsona ministrem Stanów Zjednoczonych w Meksyku i pełnił tę funkcję przez rok. Rosecrans spędził dużą część swojego powojennego życia w Kalifornii. W 1880 roku został wybrany do Kongresu jako demokrata. Reprezentował 1. okręg Kalifornii przez dwie kadencje, służąc od 1881 do 1885 roku. Podczas swojej kadencji w Izbie Reprezentantów Rosecrans sprzeciwił się projektowi ustawy, która miała zapewnić emeryturę jego dawnemu rywalowi, Ulyssesowi S. Grantowi, który w tym czasie był prawie bez środków do życia i umierał na raka gardła. Ustawa przeszła ponad sprzeciwami Rosecransa. Rosecrans zmarł 11 marca 1898 roku. Początkowo został pochowany na cmentarzu Rosedale Cemetery w Los Angeles w Kalifornii. W 1902 roku jego ciało zostało ponownie pochowane na Narodowym Cmentarzu Arlington. Rosecrans zmarł 11 marca 1898 roku.