William Starke Rosecrans s-a născut la 6 septembrie 1819 în Delaware County, Ohio. Tatăl lui William, Crandall Rosecrans, a servit sub comanda lui William Henry Harrison în Războiul din 1812. Deși a avut puțină educație formală în copilărie, Rosecrans a fost considerat studios și inteligent. Deoarece familia sa avea resurse financiare limitate, a căutat să fie numit la Academia Militară a Statelor Unite.
Rosecrans a intrat la West Point în 1838. În timpul petrecut acolo, a câștigat porecla „Rosy”, care avea să rămână cu el pentru tot restul vieții sale. În 1842 a absolvit al cincilea dintr-o clasă de 56, terminând înaintea mai multor viitori generali din Războiul Civil, printre care John Pope, Abner Doubleday, D.H. Hill și James Longstreet. În 1843, Rosecrans s-a căsătorit cu Anna Elizabeth Hegeman, cu care avea să aibă în cele din urmă cel puțin cinci copii. În 1845 s-a convertit la catolicism.
Cariera militară antebelică a lui Rosecrans a fost nesemnificativă. După ce a asistat la construirea apărării de coastă în Virginia, a fost transferat înapoi la West Point, unde a predat mai multe materii din 1843 până în 1847. Spre deosebire de mulți dintre colegii săi ofițeri, Rosecrans nu a servit niciodată în Mexic. După ce a părăsit West Point, a participat la mai multe proiecte inginerești pe întreg teritoriul Statelor Unite. În 1851, a fost refuzat pentru un post la Institutul Militar din Virginia în favoarea lui Thomas J. Jackson.
Rosecrans a demisionat din armată din cauza sănătății precare în 1854, părăsind armata în calitate de prim-locotenent. Deși niciuna dintre activitățile sale civile antebelice nu a fost deosebit de profitabilă, Rosecrans a obținut mai multe brevete în această perioadă. În 1859, o lampă experimentală cu ulei a explodat, provocându-i lui Rosecrans arsuri grave la nivelul feței. Deși leziunile au fost acoperite de barbă, cicatricile l-au făcut să pară că zâmbește în mod constant.
La scurt timp după bombardarea rebelă a Fort Sumter, Rosecrans s-a alăturat personalului lui George B. McClellan. În iunie 1861 a fost numit colonel al Diviziei 23 Infanterie din Ohio și a fost promovat la gradul de general de brigadă în armata regulată (cu rangul său antedatat la 16 mai). În vara anului 1861, Rosecrans a servit sub comanda lui McClellan în timpul campaniei de succes a Uniunii în vestul Virginiei, deschizând calea pentru formarea statului Virginia de Vest în 1863. După ce McClellan a fost adus în est pentru a prelua comanda Armatei Potomacului, Rosecrans a primit comanda forțelor Uniunii din regiune.
Deși Rosecrans a fost un comandant eficient, curajos din punct de vedere personal și popular printre oamenii săi, era uneori dificil să se înțeleagă cu el. Un contemporan a scris că: „Pentru cei de deasupra lui era întotdeauna punctual, adesea irascibil și uneori deplorabil de indiscret.”
În mai 1862 Rosecrans a fost transferat în Teatrul de Vest și a fost pus la comanda unei aripi a Armatei lui John Pope din Mississippi în timpul asediului Corintului. Rosecrans l-a înlocuit pe Pope după ce acesta din urmă a fost adus în Teatrul de Est în vara anului 1862. Ofițerul superior al lui Rosecrans a fost generalul-maior Ulysses S. Grant, care a comandat toate forțele Uniunii din vestul Tennessee și din împrejurimi. Rosecrans și-a condus trupele spre victorii greu de obținut la 19 septembrie la Corinth, Mississippi, și la 3-4 octombrie la Iuka, Mississippi. Cu toate acestea, eșecul său de a-i urmări agresiv pe confederații care se retrăgeau după bătălia de la Corinth i-a atras mânia generalului Grant.
După victoriile sale de la Iuka și Corinth, Rosecrans a fost trimis în Kentucky pentru a-l înlocui pe Don Carlos Buell ca și comandant al Armatei Cumberland. În fruntea noului său comandant, Armata Cumberland a luptat cu Armata din Tennessee a lui Braxton Bragg până la un punct mort în Bătălia de la Stones River, între 31 decembrie 1862 și 2 ianuarie 1863. Victoria lui Rosecrans a fost un punct luminos foarte necesar într-o iarnă sumbră pentru cauza Uniunii.
În ciuda presiunilor puternice din partea președintelui Lincoln, Rosecrans s-a abținut să avanseze în următoarele șase luni. În cele din urmă, la sfârșitul lunii iunie, Rosecrans a început o ofensivă bine executată care i-a forțat pe confederați să abandoneze orașul vital Chattanooga, Tennessee și să se retragă în Georgia. Cu toate acestea, armata lui Bragg a rămas intactă, deoarece Rosecrans s-a concentrat pe capturarea de teritorii mai degrabă decât pe distrugerea forțelor inamice. Pe 19 și 20 septembrie, Bragg a lovit din nou în apropiere de Chickamauga Creek. Într-una dintre puținele bătălii în care Uniunea a fost depășită numeric, Armata Confederată din Tennessee a dat o lovitură zdrobitoare Armatei din Cumberland, trimițându-l pe Rosecrans să fugă înapoi la Chattanooga, unde forțele federale au fost rapid asediate.
După dezastrul de la Chickamauga, Grant, care fusese recent promovat la comanda generală a forțelor Uniunii din vest, a ales să îl elibereze pe Rosecrans de la comandă, înlocuindu-l cu generalul-maior George Thomas. În drumul său spre Chattanooga pentru a evalua situația, Grant l-a întâlnit pe Rosecrans, care se întorcea spre nord. Grant a scris mai târziu: „Am avut o scurtă întrevedere, în care a descris foarte clar situația de la Chattanooga și a făcut câteva sugestii excelente cu privire la ceea ce ar trebui făcut. Singura mea mirare a fost că nu le-a pus în aplicare”. La rândul său, Rosecrans a rămas amărât față de Grant pentru tot restul vieții, învinuindu-l pentru căderea sa în dizgrație. El i-a scris prietenului său James Garfield: „Consider că situația mea actuală este un ultraj la adresa justiției care are puține paralele în acest război sau în oricare altul. Dar eu cred cu tărie în căderea finală a nelegiuirii.”
Deși a comandat forțele Uniunii în Missouri în 1864, Rosecrans nu a jucat un rol semnificativ în operațiunile Uniunii pentru restul războiului. În 1867, el și-a dat demisia din armată. Un an mai târziu a fost numit de președintele Andrew Johnson în funcția de ministru al Statelor Unite în Mexic și a ocupat această funcție timp de un an.
Rosecrans și-a petrecut o mare parte din viața de după război în California. În 1880 a fost ales în Congres ca democrat. A reprezentat Districtul 1 din California timp de două mandate, servind din 1881 până în 1885. În timpul mandatului său în Camera Reprezentanților, Rosecrans s-a opus unui proiect de lege care prevedea acordarea unei pensii vechiului său rival, Ulysses S. Grant, care la acea vreme era aproape sărac și pe moarte din cauza unui cancer la gât. Legislația a trecut peste obiecțiile lui Rosecrans.
Rosecrans a murit la 11 martie 1898. A fost înmormântat inițial în Cimitirul Rosedale din Los Angeles, California. În 1902 corpul său a fost reîngropat în Cimitirul Național Arlington.
.