Nata a Fiesole, sorella dell'attrice Alba Rohrwacher, si laurea a Torino in Lettere e Filosofia. Successivamente, ottiene un Master in sceneggiatura e linguaggio documentario presso la videoteca Municipal di Lisbona e un Master in tecniche narrative, sceneggiatura e drammaturgia presso la Scuola Holden di Torino.

I documentari
La sua prima esperienza di lavoro cinematografico è nella direzione (con Pier Paolo Giarolo) e nel montaggio del documentario Un piccolo spettacolo (2005), dove si occupa pure del soggetto, della sceneggiatura e della fotografia. La pellicola ottiene il primo premio alla Festa Internazionale del Cinema Documentario di Roma. A seguire, sempre all'interno dello stesso genere, c'è Vila Morena, diretto con Alexandra Loureiro e prodotto dalla Videoteca Minucipal di Lisbona.
Nel 2006 partecipa al film collettivo Checosamanca, presentato alla I edizione di Cinema - Festa Internazionale di Roma, nella sezione Extra. La pellicola è un insieme di storie (della durata di dieci/quindici minuti ciascuna) ideate da dieci autori diversi che vogliono raccontare spaccati di realtà regionali diverse. Il risultato è un'opera intrisa di impegno civile e politico.

Il lavoro di montatrice
Fra il 2008 e il 2009 si occupa prevalentemente di montaggio di documentari altrui: Tradurre (2008), Boygo (2008) di Pier Paolo Giarolo, Residuo Fisso (2009) e In tempo, ma rubato (2009), lavorando anche nel campo musicale e teatrale.

Corpo Celeste - L'opera prima a soggetto
Il primo film a soggetto arriva nel 2011 con Corpo Celeste, all'interno del quale dirige Salvatore Cantalupo, Anita Caprioli e Renato Carpentieri nella crisi religiosa di una tredicenne in procinto di fare la Cresima, che diventa il mezzo attraverso il quale si pone l'accento sul degrado culturale e sulla forte materialità della Chiesa. Il film, presentato alla Quinzaine di Cannes, le vale il Nastro d'argento al miglior regista esordiente.

Il successo a Cannes
Tre anni dopo torna al Festival di Cannes (questa volta in Concorso) con il suo terzo lungometraggio, Le meraviglie, in cui racconta l'estate di quattro sorelle capeggiate dalla primogenita Gelsomina, erede del piccolo e strano regno che suo padre ha costruito per proteggere la sua famiglia dal mondo "che sta per finire". Il film vince il Gran Premio della Giuria.
Tornerà al Festival quattro anni dopo, ancora una volta in concorso, con il film Lazzaro felice, storia di un'amicizia giovanile ad ambientazione rurale. Il film si aggiudicherà il premio per la migliore sceneggiatura.
Dirige poi alcuni episodi de L'amica geniale e nel 2021 co-dirige insieme a Francesco Munzi e Pietro Marcello Futura.
Nel 2023 il suo Le pupille viene nominato ai Premi Oscar 2023 nella categoria miglior cortometraggio e lo stesso anno presenta in concorso al Festival di Cannes La chimera.