Sorella dell'attrice Kate Mara, Rooney Mara nasce e cresce a Bedford, New York, un paese di Westchester County. Figlia del vice presidente dei New York Giants e di Kathleen McNulty, vanta come avi i fondatore dei Pittsburgh Steelers Art Rooney Sr. E Tim Mara (suoi bisnonni), i co-proprietari dei Giants Wellington Mara (suo nonno) e John Mara (suo zio) e l'ambasciatore americano Daniel Rooney. Diplomata alla Fox Lane High School nel 2003, dopo aver viaggiato in Ecuador, Perù, Bolivia e in Sud America, si laurea alla New York University. Ispirata dalla visione di musical teatrali e vecchi film (Via col vento, Rebecca - La prima moglie e Susanna!) che di solito guardava con sua mamma, decide di seguire la carriera della sorella maggiore e di diventare un'attrice professionista. Il primo ruolo ottenuto è quello di Giulietta a teatro, ma avendo un cognome così imponente, si presta volentieri come testimonial per l'organizzazione non-profit Faces of Kiberia, che aiuta i bambini orfani di Nairobi.

I film
Il debutto da attrice è segnato con una comparsata nel film di Mary Lambert Urban Legend 3 (2005), poi dopo alcune apparizioni in televisione (Law & Order, Women's Murder Club, E.R. - Medici in prima linea), partecipa a un buon numero di film indipendenti - The Winning Season, Dare, Friends (With Benefits), tutti del 2009 - sbarcando al blockbuster con Nightmare (2010) di Samuel Bayer con Jackie Earle Haley, Kyle Gallner, Katie Cassidy e Thomas Dekker, all'interno del quale recita il ruolo di Nancy, protagonista del film, e poi ai film impegnati con The Social Network (2010). Il regista David Fincher la riconferma due anni dopo nel cast del suo film drammatico Millennium - Uomini che odiano le donne, proponendola in una versione dark e misteriosa, che Rooney incarna perfettamente. Nel 2013 è la protagonista del film Ain't Them Bodies Saints, diretto dall'indipendente David Lowery, e del thriller psicologico Side Effects di Steven Soderbergh, che vede tra gli interpreti Channing Tatum, Jude Law e Catherine Zeta-Jones. Nel 2013 è nel cast del film di Spike Jonze Her, accanto a Joaquin Phoenix. Nel 2015 regala un'interpretazione indimenticabile nel film di Todd Haynes Carol, nel quale recita al fianco di Cate Blanchett. Grazie a questo film si aggiudica la Palma come migliore attrice al Festival di Cannes 2015 (ex aequo con Emmanuelle Bercot per Mon Roi).
Nel 2016 parteciperà alla Festa del Cinema di Roma con due film: Una di Benedict Andrews, e Lion, adattamento di Garth Davis (con cui tornerà a lavorare per Mary Magdalene) del romanzo "A Long Way Home" di Saroo Brierley. La vedremo anche nel film di Jim Sheridan Il segreto e in Song to Song di Terrence Malick. Nel 2018 è protagonista del film di Garth Davis Maria Maddalena. Mentre è attesa nei panni di Audrey Hepburn nel biopic a lei dedicato diretto da Guadagnino, viene diretta da Guillermo Del Toro ne La fiera delle illusioni.