Роза Отунбаева родилась 23 августа 1950 года в городе Ош (по другим источникам, происхождением из Нарына или Бишкека). По национальности — киргизка. Окончила школу в Оше.
В 1972 году окончила философский факультет МГУ и поступила в аспирантуру МГУ. Стажировалась в Германии.
В 1975 году стала кандидатом философских наук после защиты в Москве диссертации «Критика фальсификации марксистско-ленинской диалектики философами Франкфуртской школы».
В 1975—1981 годах работала в Киргизском государственном университете во Фрунзе (ныне Кыргызский национальный университет имени Жусупа Баласагына в городе Бишкек) преподавателем, старшим преподавателем, доцентом, заведующей кафедрой диалектического материализма.
В 1981 году перешла на партийную работу в КПСС. Второй секретарь Ленинского райкома партии, с 1983 года — второй секретарь Фрунзенского горкома КПСС (современный Бишкек).
В 1986—1989 годах — заместитель председателя Совета Министров Киргизской ССР, министр иностранных дел. В 1989—1990 годах — ответственный секретарь Комиссии СССР по делам ЮНЕСКО, а в 1990—1991 годах — председатель Комиссии СССР по делам ЮНЕСКО.
В 1991—1992 годах — Чрезвычайный и Полномочный Посол СССР в Малайзии и Брунее-Даруссаламе по совместительству.
После распада СССР работала на высоких постах в независимой Киргизии.
В 1992 назначена первым министром иностранных дел независимого Кыргызстана, а в мае того же года послом КР в США. В следующем году вновь вернулась на должность министра иностранных дел.
В 1997 году, по словам самой Розы Отунбаевой, она приняла решение уйти из правительства, поскольку «чувствовала, что страна становится всё более тоталитарной», хотя Аскар Акаев уговаривал ее работать дальше.
С 1997 — посол Киргизии в Великобритании и Ирландии.
С мая 2002 года — заместитель специального представителя Генерального секретаря ООН в Грузии. В этот период была специальным представителем Генерального секретаря ООН по урегулированию грузино-абхазского конфликта.
13 декабря 2004 в Киргизии создано оппозиционное движение «Ата-Журт». Оргкомитет движения возглавили депутат киргизского парламента, кинорежиссер Дооронбек Садырбаев и Роза Отунбаева.
С именем Отунбаевой связан первый скандал, после которого в стране и начали говорить о возможности революции. В январе 2005 г. её в течение одного дня сначала зарегистрировали кандидатом в депутаты, а затем лишили регистрации под предлогом нарушения пункта о проживании на территории страны в течение времени, определённого законом о выборах. По мнению оппозиции, официальный Бишкек подобным образом расчищал дорогу дочери президента Бермет Акаевой, которая баллотировалась по тому же избирательному округу.
Роза Отунбаева считается умеренным политиком, пользуется авторитетом за рубежом, в Киргизии стала популярна с конца 1989 года.
После Тюльпановой революции, происшедшей в Киргизии в марте 2005 года и приведшей к свержению президента республики Аскара Акаева и приходу на его пост Курманбека Бакиева, была опять назначена на пост министра иностранных дел страны.
После президентских выборов 10 июля 2005 кандидатура Розы Отунбаевой на пост главы МИД не была утверждена киргизским парламентом.
С декабря 2007 года — депутат Киргизского парламента и член парламентской фракции оппозиционной Социал-демократической партии Киргизии, с октября 2009 года — руководитель данной парламентской фракции. 21 мая 2010 года после наделения её полномочиями Президента Киргизии переходного периода покинула партию.
Владеет киргизским, русским, английским, и в меньшей степени немецким и французским языками.В 1972 году окончила философский факультет МГУ и поступила в аспирантуру МГУ.