Ainda criança, Rosa teve grande inclinação à oração e à meditação, sendo dotada de dons especiais de profecia. Já adolescente, enquanto rezava diante da imagem da Virgem Maria, decidiu entregar sua vida somente a Cristo. Apesar dos apelos da família, que contava com sua ajuda para o sustento, ela ingressou na Ordem Terceira Dominicana, tomando como exemplo de vida santa Catarina de Sena. Dedicou-se, então, ao jejum, às severas penitências e à oração contemplativa, aumentando seus dons de profecia e prodígios. E, para perder a vaidade, cortou os cabelos e engrossou as mãos, trabalhando na lavoura com os pais.
Aos vinte anos, pediu e obteve licença para emitir os votos religiosos em casa e não no convento, como terciária dominicana. Quando vestiu o hábito e se consagrou, mudou o nome para Rosa e acrescentou Santa Maria, por causa de sua grande devoção à Virgem Maria, passando a ser chamada Rosa de Santa Maria.
Construiu uma pequena cela no fundo do quintal da casa de seus pais, levando uma vida de austeridade, de mortificação e de abandono à vontade de Deus. A partir do hábito, ela imprimiu ainda mais rigor às penitências. Começou a usar, na cabeça, uma coroa de metal espinhento, disfarçada com botões de rosas. Aumentou os dias de jejum e dormia sobre uma tábua com pregos. Passou a sustentar a família com as rendas e bordados que fazia, pois seu confessor consentiu que ela não saísse mais de sua cela, exceto para receber a eucaristia. Vivendo em contínuo contato com Deus, atingiu um alto grau de vida contemplativa e experiência mística, compreendendo em profundidade o mistério da Paixão e Morte de Jesus.
Rosa cumpriu sua vocação, devotando-se à eucaristia e à Virgem Maria, cuidando para afastar o pecado do seu coração, conforme a espiritualidade da época. Aos trinta e um anos de idade, foi acometida por uma grave doença, que lhe causou sofrimentos e danos físicos. Assim, retirou-se para a casa de sua benfeitora, Maria de Uzátegui, agora Mosteiro de Santa Rosa, para cumprir a profecia de sua morte. Todo ano, ela passava o Dia de São Bartolomeu em oração, pois, dizia: "este é o dia das minhas núpcias eternas". E assim foi, até morrer no dia 24 de agosto de 1617. O seu sepultamento parou toda a cidade de Lima.
Muitos milagres aconteceram por sua intercessão após sua morte. Rosa foi beatificada em 1667 e tornou-se a primeira santa da América Latina ao ser canonizada, em 1671, pelo papa Clemente X.
Dois anos depois, foi proclamada Padroeira da América Latina, das Filipinas e das Índias Orientais, com a festa litúrgica marcada para o dia 23 de agosto. A devoção a santa Rosa de Lima propagou-se rapidamente nos países latino-americanos, sendo venerada pelos fiéis como Padroeira dos Jardineiros e dos Floristas.