Elle est l'aînée des cinq enfants de l'acteur et réalisateur Roberto Rossellini, considéré comme un pionnier du néorealisme cinématographique, et de l'actrice Ingrid Bergman, qui ont gagné ensemble l'Oscar d'honneur pour leur collaboration au film "Grand Amour" en 1956.
Après avoir grandi à New York (États-Unis) où sa famille s'était installée, Isabella Rossellini a suivi des études de biologie à l'université Columbia mais la carrière d'actrice lui est vite préférée.
Elle fait ses débuts dans le cinéma en 1979 avec le film "Il Prato" de son père, puis joue sous la direction de Woody Allen et Martin Scorsese, entre autres. Elle a également travaillé à la télévision dans plusieurs séries télévisées américaines.
En plus de sa carrière d'actrice, Isabella Rossellini s'implique activement dans des causes écologiques et milite pour la protection des écosystèmes marins. Elle est notamment connue pour son engagement en faveur de la sauvegarde des tortues marine.
En 2017, elle crée une campagne publicitaire intitulée "Made In Green" qui a pour but de promouvoir les bioproduits et le recyclage.
Isabella Rossellini est également connue pour son travail de réalisatrice de courts métrages, notamment "Green Porno", une série de films éducatifs sur la reproduction sexuelle des animaux, qui ont été diffusés sur les chaînes de télévision européennes.
En 2019, elle publie son autobiographie intitulée "Some Kind of a Love Story: A Memoir of Growing Up in Movies" dans laquelle elle raconte son enfance dans le milieu du cinéma et sa carrière d'actrice.
Elle est mère de deux enfants nés de son union avec l'homme d'affaires Jon Wiedemann, et a été mariée à Martin Scorsese de 1979 à 1982.
Isabella Rossellini réside actuellement à New York (États-Unis).