Rose Byrne joue d'abord dans plusieurs émissions télévisées, tout en préparant son diplôme de l'Australian Theatre for Young People. Elle passe ensuite un diplôme artistique à la Sydney University. Elle joue au théâtre des pièces comme « La Dispute » et « Trois Soeurs » avec la Sydney Theatre Company.En 1999, elle devient une star dans son pays avec son interprétation d'Alex dans le film de Gregor Jordan Two Hands, avec également Heath Ledger, encore peu connu à l'époque. Le film est un succès critique et public. Avec le suivant, The Goddess of 1967 de Clara Law, elle tient son premier rôle principal et remporte la Coupe Volpi de la meilleure actrice au Festival de Venise 1999. Elle interprète ensuite My Mother Frank, avec Sinead Cusack, Sam Neill et Matthew Newton. Rose Byrne joue par la suite dans le troisième film de Sofia Coppola, Marie-Antoinette, avec Kirsten Dunst, et dans The dead girl de Karen Moncrief, avec Toni Collette, Brittany Murphy, Marcia Gay Harden et James Franco, ainsi que dans Sunshine, le thriller de science-fiction de Danny Boyle, avec Cillian Murphy, Michelle Yeoh et Chris Evans. Rose Byrne se fait connaître à l'international avec le rôle de Dormé, la fidèle servante d'Amidala dans le film de George Lucas STAR WARS : L'ATTAQUE DES CLONES. Son interprétation très remarquée lui vaut un véritable culte de la part de fans qui ont créé un forum Dormé Forever sur le net. En 2004, elle incarne Briseis dans Troie de Wolfgang Petersen, aux côtés de Brad Pitt, Eric Bana, Orlando Bloom, Julie Christie, Peter O'Toole, Sean Bean et Diane Kruger. Elle retrouve Peter O'Toole dans le téléfilm de la BBC « Casanova ». En 2007, elle est à l'affiche de 28 semaines plus tard de Juan Carlos Fresnadillo puis continue, en 2009, son incursion dans le fantastique avec Prédictions d'Alex Proyas. La même année, elle joue face à Hugh Dancy dans Adam de Max Mayer.
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