Née en 1952 à Rome, Isabella Rosselini grandit bercée par l'univers du 7e art auprès de sa mère, la célèbre actrice Ingrid Bergman, et de son père Roberto Rossellini, réalisateur de renom. C'est donc tout naturellement qu' Isabella Rosselini se tourne vers une carrière au cinéma. Elle fait ses débuts en tant qu'habilleuse sur les plateaux de tournage de son père, et enchaîne des petits rôles parallèlement à son emploi de journaliste.
Le talent de la jeune Isabella Rossellini n'a d'égale que sa beauté, ainsi elle obtient un rôle dans une émission comique sur la chaîne RAI, tout en devenant l'égérie de la marque Lancôme. Après avoir incarné de nombreux rôles en Italie, Isabella Rossellini voit le cinéma américain lui ouvrir les bras. Elle est propulsée au rang de star mondiale grâce au réalisateur David Lynch, qui la dirige dans le film Blue Velvet. Ce rôle lui vaut d'être repérée par une multitude d'autres cinéastes : elle joue par la suite dans Cousins, Dames Galantes, La Mort vous va si bien ou encore L'innocent. En 1990, elle retrouve David Lynch sur le tournage de Sailor et Lula.
Actrice versatile, Isabella Rossellini ne se cantonne pas à un type de rôle. Après avoir incarné des femmes tourmentées, elle joue dans des séries télévisées telles que Friends ou Alias, et multiplie les seconds rôles, notamment dans le film Poulet aux prunes.
Surprenant toujours son public, Isabella Rossellini est également passée derrière la caméra, réalisant notamment la série Green Porno, dans laquelle elle s’intéresse à la vie sexuelle des insectes. En décembre 2023, Isabella Rossellini est à l'affiche du film Chimera, d'Alice Rohrwacher. Le long-métrage est présenté en compétition au Festival de Cannes 2023.
Côté cœur, Isabella Rossellini fut l'épouse du réalisateur Martin Scorcese, puis a entretenu une relation avec David Lynch, Gary Oldman et Daniel Toscan du Plantier. Avec son second époux, Jonathan Wiedemann, elle a eu une petite Elettra, et a adopté un petit garçon nommé Roberto.