Люксембург родилась 5 марта 1871 года в Польше, в городе Замосце, восточнее Люблина. Она была пятым ребёнком в буржуазной еврейской семье (отец был коммерсантом). Окончила женскую гимназию в Варшаве. В гимназии проявила себя как блестящая ученица.
В 1889 г., скрываясь от преследований полиции за участие в польском революционном подполье «Пролетариат», эмигрировала в Швейцарию, где продолжила образование. Изучала в Цюрихском университете политическую экономию, юриспруденцию, философию и вела революционную пропаганду среди студентов, участвовала в работе кружка польских политических эмигрантов, положившего начало революционной социал-демократии Польши, вела борьбу против Польской социалистической партии (ПСП). Здесь она повстречалась с социалистом Лео Йогихесом (Тышка).
В 1893 г. Роза вместе с Тышкой, Мархлевским, Варским и др. участвовала в основании социал-демократической партии Королевства Польского и Литвы (СДКПиЛ) и возглавила её печатный орган «Справа роботнича». И в этот же период она вела ожесточенную борьбу с Польской социалистической партией (ПСП), хотя Плеханов и Энгельс относились к этой борьбе далеко не одобрительно.
В 1897 г. Роза защитила кандидатскую диссертацию «Промышленное развитие Польши», затем переехала в Германию. Для того, чтобы получить немецкое гражданство, ей пришлось оформить фиктивный брак с немецким подданным. Больше ни в каких браках Роза не состояла и детей не имела. Вскоре она стала видной фигурой крайне левого крыла германской социал-демократической партии. Роза проявила себя как талантливый журналист и оратор. Многократно и подолгу сидела в польских и немецких тюрьмах. Она общалась с Плехановым, Бебелем, Лениным, Жоресом, вела с ними полемику.
По поручению партии она работала среди польских горняков Силезии, в то же время теоретически и политически сражаясь против оппортунизма внутри германской и международной социал-демократии. Активно выступала против министериализма (мильеранизма) и оппортунистических компромиссов с буржуазными партиями. Она посвятила ряд статей опровержению ревизионизма, составивших книгу «Социальная реформа или революция?» (1899, русский перевод 1907). После начала российской революции в 1905 года Люксембург тайно едет в Варшаву и принимает деятельное участие в революционных действиях польского пролетариата. Царская охранка наконец ловит её и она проводит долгие месяцы в тюрьме под угрозой расстрела или каторги. Немецкие друзья выручают её из тюрьмы и в 1907 г. Люксембург навсегда переехала в Германию.
Находясь летом 1906 г. в Финляндии, написала брошюру «Массовая забастовка, партия и профсоюзы» (1906, в русском переводе — «Всеобщая забастовка и немецкая социал-демократия», 1919), в которой обобщала опыт русской революции и формулировала в свете этого опыта задачи герм. рабочего движения. Брошюра получила высокую оценку Ленина.
На Штутгартском конгрессе Второго Интернационала (1907) Люксембург совместно с Лениным внесла поправки в резолюцию А. Бебеля по вопросу об отношении к империалистической войне и милитаризму. В поправках, в частности, указывалось на необходимость использования, в случае возникновения войны, порождаемого ею кризиса в целях свержения господства буржуазии.
В годы перед войной Люксембург окончательно рвет не только с официальным центром, но и с Каутским. В течение ряда лет она возглавляет леворадикальную оппозицию в партии.
В годы между Первой русской революцией и мировой войной Люксембург начала уделять внимание росту империализма. В течение нескольких лет она вела курсы экономики в партийной школе германской социал-демократической партии. Её монументальная работа «Накопление капитала» (1913 года) содержит ряд ошибочных положений и выводов, положивших впоследствии начало так называемому "люксембургианству". Ещё накануне войны, в 1913 году, за речь против милитаризма Люксембург была приговорена к году тюрьмы. С самого начала войны она начинает свою революционную агитацию против войны, возглавляя группу «Интернационал». Во время войны — интернационалистка, единомышленница К. Либкнехта, вместе с которым основала «Союз Спартака».
В 1916 году была арестована и заключена в тюрьму. Однако даже в тюрьме не прекратила агитационной и пропагандистской работы, посылая конспиративно брошюры, листовки и воззвания против войны. Там ею написана под псевдонимом «Юниус» знаменитая брошюра «Кризис социал-демократии», в которой она теоретически предвосхитила полное разложение II Интернационала и создание III Интернационала. В сентябре 1918 г. написала статьи, изданные в 1922 г. брошюрой под заглавием «Русская революция. Критическая оценка слабости».
По освобождении из тюрьмы Люксембург вместе с Либкнехтом руководит в декабре 1918 года учредительным съездом компартии. Вдохновлявшийся ею центральный орган партии и до сих пор является образцом для эпохи бурного темпа политической борьбы. Будучи (как и Либкнехт) против свержения шейдемановского правительства, ввиду слабости компартии, Люксембург, тем не менее, приветствует начавшееся выступление берлинских рабочих в начале января 1919 г. Выступление подавили отряды фрайкора под руководством Г. Носке; арестованные Либкнехт и Люксембург были убиты конвойными по дороге в тюрьму Моабит 15 января 1919 г. По свидетельству капитана Пабста, который допрашивал Розу Люксембург, её увезли из отеля «Эден», где проводился допрос, забили прикладами, выстрелили в висок и сбросили в Ландверский канал. Тело было найдено в июне, похоронена Роза Люксембург 13 июня 1919 года. По словам историка Исаака Дойчера, с убийством Люксембург «свой последний триумф праздновала кайзеровская Германия, и первый — нацистская».
Владимир Ильич Ленин высоко ценил революционные заслуги Розы Люксембург. Он называл её «орлом, великой коммунисткой, представителем нефальсифицированного, революционного марксизма», подчёркивая, что её работы «… будут полезнейшим уроком для воспитания многих поколений коммунистов всего мира».
Среди литературного наследия Люксембург следует отметить работы: «Социальная реформа или революция» (1899), «Массовая стачка, партия и профсоюзы» (1906), «Накопление капитала» (1913), «Кризис социал-демократии» (1916), «Анти-критика» (1916), «Русская революция. Критическая оценка слабости» (1922, посмертно).