Rosalie Thomass, geboren am 14. August 1987, konnte bereits während der Schulzeit erste Bühnenerfahrungen sammeln. So war sie nicht nur Mitglied einer Rockband, sondern trat 1995 auch erstmals am Münchner Volkstheater auf. Im Jahr 2001 wurde sie Mitglied der Jugendtheatergruppe der Münchner Kammerspiele; zur gleichen Zeit begann sie, professionellen Schauspielunterricht zu nehmen.

Nach ersten Nebenrollen in Fernsehfilmen gelang ihr sehr schnell der Durchbruch mit der weiblichen Hauptrolle in dem TV-Krimi "Polizeiruf 110 – Er sollte tot". Unter der Regie von Dominik Graf verkörpert Thomass darin eine psychisch labile Prostituierte, die in einen Mordfall verwickelt wird – eine Leistung, die ihr den Förderpreis Deutscher Film, einen Grimme-Preis, einen Bayerischen Fernsehpreis sowie einen Deutschen Fernsehpreis einbrachte.

In Marcus H. Rosenmüllers "Coming-of-Age"-Geschichte "Beste Zeit" gab Thomass im Sommer 2007 ihr Kinodebüt. Auch in der Fortsetzung dieses Films, "Beste Gegend", übernahm sie eine Hauptrolle. Ihre dritte Rolle (wenn auch eine sehr kleine) unter der Regie von Marcus H. Rosenmüller spielte sie in "Räuber Kneißl". Ende 2008 war Rosalie Thomass in Max Färberböcks Bestseller-Verfilmung "Anonyma – Eine Frau in Berlin" an der Seite von Nina Hoss und August Diehl zu sehen.

Beim Cairo Film Festival 2008 feierte "Bergfest" (Regie: Florian Eichinger) Premiere, in dem Thomass die jugendlichen Freundin eines alternden Theaterregisseurs spielte. Das kammerspielartige Drama wurde auf mehreren internationalen Festivals preisgekrönt und startete 2010 in den deutschen Kinos. In der Zwischenzeit sah man Thomass in einer Reihe ambitionierter Fernsehspiele: In der Helmut-Kohl-Filmbiografie "Der Mann aus der Pfalz" (2009) verkörperte sie die junge Hannelore Kohl, in der Bestsellerverfilmung "Neue Vahr Süd" (2010) spielte sie eine Studentin und Affäre des Protagonisten Frank Lehmann, in dem Krimi "Kreutzer kommt" (2010) wurde sie als Assistentin des von Christoph Maria Herbst gespielten Kommissars besetzt. Für ihre Hauptrolle in "Die letzten 30 Jahre" (2010, TV), einer Liebesgeschichte vor dem Hintergrund der Studentenbewegung der Siebzigerjahre bis in die Gegenwart, erhielt Thomass Nominierungen für den Deutschen Fernsehpreis und für den Bayerischen Fernsehpreis. In Matti Geschonnecks TV-Drama "Tod einer Polizistin" (2012) verkörperte sie an der Seite von Götz George und Jürgen Vogel eine junge Polizistin, die an der Täterschaft eines vermeintlichen Polizistenmörders zu zweifeln beginnt.

Auf der Kinoleinwand sah man Thomass in der Erfolgskomödie "Eine ganz heiße Nummer" (2011) als Betreiberin eines dörflichen Gemischtwarenladens, die aus Existenznot mit zwei Freundinnen eine Sex-Hotline eröffnet. In dem eigenwilligen "Kohlhaas oder die Verhältnismäßigkeit der Mittel" (2012), über eine chaotisch verlaufende Verfilmung der Kleist-Novelle "Michael Kohlhaas", spielte sie die Darstellerin der Kohlhaas-Ehefrau Lisbeth. Unter der Regie von André Erkau hatte Thomass in der Tragikomödie "Das Leben ist nichts für Feiglinge" (2012) eine kleine, aber wichtige Rolle als Altenpflegerin, die gemeinsam mit einer Seniorin deren ausgebüchster Enkelin nachreist. Es folgten eine kleinere Nebenrolle in der Mark-Twain-Verfilmung "Die Abenteuer des Huck Finn" (2012) sowie Hauptrollen in dem TV-Krimi "Kreutzer kommt ... ins Krankenhaus" (2014) und, als Kinderpsychologin, in dem Fernsehspiel "Weiter als der Ozean" (2014).

Im Sommer 2014 startete dann "Beste Chance" in den Kinos, nach "Beste Zeit" und Beste Gegend" der Abschluss von Marcus H. Rosenmüllers Trilogie über zwei Freundinnen aus der bayerischen Provinz. Thomass spielt darin erneut die Rolle der temperamentvollen Jo.

In dem auf mehreren Zeitebenen spielenden Kriminaldrama "Die Frau aus dem Moor" (2014, TV) sah man sie als emanzipierte Bäuerin im 19. Jahrhundert; in Matti Geschonnecks Historiendrama "Das Zeugenhaus" (2014, TV) verkörperte sie eine Zeugin bei den Nürnberger Kriegsverbrecherprozessen, deren Mann selbst zu den Angeklagten zählt.

Eine Kinohauptrolle spielte Thomass in der Tragikomödie "Taxi" (2015), als junge Taxifahrerin, die während ihrer Touren mit allerlei eigentümlichen Fahrgästen konfrontiert wird. Ebenfalls 2015 übernahm sie in Doris Dörries "Grüße aus Fukushima" (Start: 2016) die Hauptrolle einer jungen Frau in der Existenzkrise, die sich einem Hilfsprojekt im japanischen Fukushima anschließt. Für diese Rolle wurde sie mit dem Bayerischen Filmpreis und mit dem Best Acting Award des Odessa International Film Festival ausgezeichnet. Außerdem erhielt sie eine Nominierung für den Deutschen Filmpreis. 

Ein großer Erfolg war auch ihre von einem realen Fall inspirierte Rolle in Hans Steinbichlers "Eine unerhörte Frau" (2016), als Mutter, die gegen ärztliche Ignoranz und um das Leben ihrer Tochter kämpft. Thomass gewann den Preis der Deutschen Akademie für Fernsehen und den Deutscher Schauspielerpreis und wurde für den Grimme-Preis nominiert. 

TV-Hauptrollen hatte sie als vermeintliches Verbrechensopfer in "Rufmord" (2018) und als Dorfbewohnerin in dem hoch gelobten Gesellschaftsdrama "Unterleuten - Das zerrissene Dorf" (2020). Für ihre Leistung in dem Thriller "Jackpot", als von einem Killer gejagte Finderin eines Geldkoffers, erhielt sie beim Fernsehfilmfestival Baden-Baden 2021 einen Sonderpreis für eine "herausragende darstellerische Leistung". 

Fürs Kino spielte Thomass eine Hauptrolle in der Fortsetzung "Eine ganz heiße Nummer 2.0" (2019), war der Schwarm der Hauptfigur in den Komödien "Die Känguru-Chroniken" (2020) und "Die Känguru-Verschwörung" (2022), und hatte die Hauptrolle einer frisch verlassenen Ehefrau in der Komödie "Jagdsaison" (DE/DK 2022).