Elle est la fille d'un maçon originaire des Asturies[1]. En 1984, elle crée un groupe de musique pop Peor Impossible(es), avec lequel ils font l'un des tubes de l'été en Espagne. En 1986, elle fait la rencontre de Pedro Almodóvar. Il lui propose d'apparaître dans son prochain film, La Loi du désir (La Ley del deseo), en tant qu'animatrice-télé. Pour ce film, Rossy prête aussi certaines de ses robes pour habiller l'héroïne du film, Tina Quintero, interprétée par Carmen Maura.
Pedro Almodóvar lui propose encore quatre rôles secondaires, faisant d'elle l'une de ses plus célèbres « chicas » (filles) : elle est Marisa, l'amante d'Antonio Banderas, endormie durant quasi toute la durée de Femmes au bord de la crise de nerfs (Mujeres al borde de un ataque de nervios) en 1988 ; la dealeuse vengeresse poursuivant le même Antonio Banderas dans les ruelles de quartier madrilène de Chueca dans Attache-moi ! en 1990 ; Juana, la femme de ménage lesbienne de Kika en 1993 ; et enfin Rosa, sœur de l'héroïne du film qui passe son temps à se disputer avec sa mère dans La Fleur de mon secret (La Flor de mi secreto) en 1995, personnage inspiré de la propre sœur du réalisateur.
Très vite, son physique hors du commun et son autodérision séduisent le monde entier, et si Rossy est toujours fidèle à son pays (Action mutante (1993), Airbag (1997), 20 Centimètres (2005)…), elle tourne à l'étranger dès 1990 : elle côtoie les plus grands dans Prêt-à-porter de Robert Altman (1994), et joue aussi bien aux États-Unis (Talk of Angels (1998), La Fin de l'innocence sexuelle (1999) People, qu'en Italie (Tu la conosci Claudia?, 2004).
Rossy de Palma a également participé en 2007 à l'album La Mécanique du cœur du groupe de rock français Dionysos en participant à un duo avec Babet.
Elle participe aussi au morceau Calor dans l'album Swing for Modern Clubbing de g-swing.
Elle sort un parfum en 2006 : Eau de Protection, créé sur la base d'une rose (dite ensorcelée), par la maison État Libre d'Orange.
Elle pose seins nus pour le magazine Marie Claire en , dans le cadre d'une campagne d'information sur le cancer du sein[2].
Elle est également artiste plasticienne, on peut voir ses œuvres dans un portrait filmé[3], elle expose ses sculptures dans des galeries à Paris et réalise un éventail, L'Œil de la conscience, au profit de la fondation Orphan Aid Africa.
En , elle annonce qu'elle soutient la candidature de la candidate socialiste, Anne Hidalgo à la Mairie de Paris dans le cadre des élections municipales de fin mars. Elle déclare aux caméras de l'équipe de la candidate que c'est la première fois qu'elle soutient un candidat politique même si elle n'est pas parisienne.
En 2014, elle fait partie du casting de la série espagnole Anclados(es)[4] diffusée en 2015 sur Telecinco.
Du 21 au , elle participe à Paris à 12 représentations du spectacle de Jean-Paul GaultierFashion Freak Show au théâtre des Folies Bergère[6], pour lequel elle a également défilé au début de sa carrière[7].
En , elle est la présidente du jury de la Caméra d’or au Festival de Cannes 2022. Ce jury est composé de la directrice générale de Arri France, Natasza Chroscicki ; le directeur de la photographie français, Jean-Claude Larrieu ; la réalisatrice française, Eléonore Weber ; le journaliste et critique français, Olivier Pélisson ; le réalisateur français, Lucien Jean-Baptiste et l’acteur français Samuel Le Bihan.
