Rosamund Pike est née le 28 janvier 1979 à Londres. Fille unique d'un couple de chanteurs d'opéra, elle grandit dans la capitale britannique puis voyage à travers l'Europe au gré des tournées de ses parents. Elle séjourne quelque temps en Italie, où son père travaille avec le compositeur Hans Werne Henze, puis en France et en Allemagne.

A l'âge de 16 ans, elle est acceptée au célèbre National Youth Theatre. Elle y passe les trois étés suivants ce qui a pour résultat de lui faire jouer un grand classique, Roméo et Juliette. Sa prestation est tout de suite remarquée par un agent, Dallas Smith, qui va étroitement guider sa jeune carrière. Elle s'installe alors à Oxford pour étudier la littérature anglaise au Wadham College.

A Oxford, Rosamund joue dans La mégère apprivoisée et effectue une tournée avec la troupe de l'université qui l'emmène au Japon pour six semaines. Ce voyage, magique pour elle, lui permet de jouer dans les théâtres de Kyoto, Osaka et au prestigieux Tokyo Globe. Juste avant de partir, elle a passé deux jours pour jouer aux côtés de Tom Courtenay et Albert Finney dans un téléfilm A Rather English Marriage. Rosamund joue également au théâtre local, le célèbre Oxford Playhouse, où elle interprète entre autres Elizabeth Barry dans La Libertine et Ann dans All My Sons d'Arthur Miller.

Avant de quitter Oxford, Rosamund rencontre un directeur de casting pour un projet qui semble important pour la suite de sa carrière. Le projet est retardé puis annulé et elle doit attendre un an avant que la BBC ne l'exige pour interpréter le rôle de Lady Harriet dans la somptueuse production, Wives and Daughters.
C'est son premier rôle pour le BBC et elle est enchantée de travailler avec des acteurs tels que Michael Gambon, Francesca Annis et Bill Patterson. Lady Harriet est un vrai défi pour elle (équitation, combats, …) mais Rosamund s'en sort haut la main, acclamée par la critique, encensée par Vanity Fair.

Absente durant neuf mois, elle retourne à Oxford pour passer son diplôme de littérature et donner une nouvelle représentation au Oxford Playhouse. Elle joue l'amusante et étrange Daisy dans Rhinocéros, la pièce de Ionesco.
Durant l'été 2001, elle passe dix semaines à tourner aux côtés d'Alan Bates et Sheila Gish dans Love in a Cold Climate, une adaptation du livre de Nancy Mitford.

De retour à Oxford pour effectuer son dernier trimestre, elle joue Kyra dans une pièce de David Mare, Skylight. C'est à ce moment que les producteurs de la série James Bond lui demande de faire un bout d'essai pour interpréter Miranda Frost, un agent du MI6. Le test est plus que positif et Rosamund Pike est révélée à la presse lors la présentation du film Meurs un autre jour à Pinewood, en janvier 2002. Le film et sa prestation sont une réussite, mais cela ne tourne pas pour autant la tête à la jeune actrice. Elle décide de remonter sur les planches avant de jouer en 2004 aux côtés de Johnny Depp et John Malkovich dans le film dramatique La Libertine, puis dans une adaptation du jeu vidéo Doom III sous la direction de Andrzej Bartkowiak en 2005.