Après avoir débuté au théâtre et à la télévision, Rosamund Pike est révélée par en James Bond girl dans Meurs un autre jour (2002) de Lee Tamahori, où elle éclipse sans peine Halle Berry. Elle est ensuite en tête d’affiche du drame franco-israélien Terre promise (2004) d’Amos Gitaï, qui rencontre peu d’écho. S’ensuivent plusieurs seconds rôles dans des productions britanniques où le jeu de Rosamund Pike devient de plus en plus subtil. C’est notamment le cas d’Orgueil et préjugés (2005) de Joe Wright, Une éducation (2009) de Lone Scherfig ou We Want Sex Equality (2011) de Nigel Cole.
Hollywood lui fait aussi des propositions, et on la voit en partenaire d’Anthony Hopkins dans le thriller La faille (2007) de Gregory Hoblit, de Bruce Willis dans le film de science-fiction Clones (2009) de Jonathan Mostow, ou Tom Cruise dans le polar Jack Reacher (2012) de Christopher McQuarrie. Plusieurs coproductions font également appel ses services, et l’actrice se retrouve aux castings de la comédie d’espionnage Johnny English, le retour (2011) d’Oliver Parker, du péplum La colère des Titans (2012) de Jonathan Liebesman ou de la comédie dramatique Up and Down (2014) de Pascal Chaumeil.
Mais c’est assurément le film policier Gone Girl (2014) de David Fincher, dont elle partage l’affiche avec Ben Affleck, qui lui offre son meilleur rôle. Rosamund Pike obtient pour sa prestation plusieurs nominations dont celle de l’Oscar de la meilleure actrice. Elle tourne ensuite une dizaine de films dont le western Hostiles (2017) de Scott Cooper et les biopics Private War (2018) de Matthew Heineman et Radioactive (2019) de Marjane Satrapi, dans le rôle de Marie Curie.