Née d'une mère française et d'un père irlandais, Rose McGowan est élevée dans une école catholique de Florence en Italie avant d'emménager à Washington à l'âge de 10 ans. Son premier rôle au cinéma dans The Doom Generation de Gregg Araki lui permet d'être nommée "meilleur espoir" au Independant Spirit Awards de 1996. Un an plus tard, elle tourne dans son premier blockbuster, le film d'horreur Scream de Wes Craven.
Rapidement, Rose enchaîne les apparitions dans des films à petits et moyens budgets comme Nowhere et Lewis & Clark & George, puis donne la réplique à Ben Affleck et Peter O'Toole dans Phantoms.

En 2001, elle est choisie par les producteurs de Charmed pour incarner Paige Matthews, la demi-soeur des sorcières Halliwell, remplaçant ainsi Shannen Doherty qui quitte la série. Usant de ses pouvoirs magiques durant pas moins de 5 saisons, elle est propulsée au devant de la scène médiatique grâce au show.
L'arrêt de Charmed lui permet de se glisser dans la peau de Sheryl Saddon dans le controversé Dahlia noir de Brian De Palma, et rejoindre en 2007 deux autres grands noms du cinéma, Quentin Tarantino et Robert Rodriguez, pour le diptyque Grindhouse.