Vakre Rose Byrne fikk sin første filmrolle i "Dallas Doll" (1994) da hun var 15 år gammel. Siden da har Byrne dukket opp i en rekke australske TV-serier som "Heartbreak High» (1994), "Echo Point" (1995), og filmen "Two Hands" (1999) sammen med Heath Ledger. Etter dette dukket hun opp i forskjellige filmer som "The Date" (1999), "My Mother Frank" (2000), og "Clara Law's The Goddess of 1967" (2000) hvor hun fikk den kvinnelige Volpi Cup på festivalen i Venezia i 2000.

Byrnes første opplevelse på en storbudsjettfilm kom da hun spilte tjenersken til Padmé Amidala i "Star Wars: Episode II - Klonene angriper" (2002). I 2003 spilte hun Rose Mortmain i tilpasningen av Dodie Smiths "I Capture the Castle" (2003). I 2004 spilte hun i "Wicker Park" (2004) med Diane Kruger og Josh Hartnett. Her fikk hun høre at Wolfgang Petersen var på jakt etter en skuespiller for Briseis i sin neste film "Troja" (2004) med Brad Pitt. Hun fikk hun rollen, og ble anerkjent som en av de mest lovende skuespillere i Hollywood.

Etter Troja spilte hun Edith i en TV-tilpasning av "Casanova" (2005). Byrne har blitt Golden Globenominert to ganger for birollen i TV-serien "Damages" (2007-2012).