Isabella Rossellini travaille d'abord comme habilleuse sur les films de son père. Elle tourne son premier film, Nina (1975) au côté de sa mère.
La ressemblance d'Isabella Rossellini avec sa mère, Ingrid Bergman, semble être un atout majeur pour la comédienne. Son visage lumineux, étonnant de sensibilité et d'émotion, trouve bien à s'exprimer au grand écran. En 1979, les frères Taviani lui proposent Le Pré. Dans ce film axé sur la quête du bonheur et sur l'incapacité à le trouver, elle incarne une jeune Florentine idéaliste auprès de Michele Placido. Elle enchaîne avec Il Pap'Occhio (Renzo Arbore,1980), une satire de la télévision inspirée de l'émission L'altro domenica. Soleil de nuit (Taylor Hackford, 1985) inaugure sa carrière hollywoodienne. Bientôt, David Lynch fait appel à elle pour interpréter Dorothy Wallens, une chanteuse de cabaret masochiste et torturée dans Blue velvet (1986). Ce film révèle le talent de l'actrice et sa capacité à interpréter des personnages complexes. La France s'intéresse à Isabella Rossellini, sous la gouverne de Jean-Charles Tacchella. Ce dernier lui donne le rôle de Victoire dans Dames galantes (1990), dont l'action se déroule au XVIe siècle et où elle interprète l'amie-amante de Richard Bohringer.
Dans les années 1990, difficile d'échapper à l'actrice : elle enchaîne rôles principaux et apparitions dans des films toujours différents. Elle apparaît ainsi dans Sailor et Lula (David Lynch, 1990) en blonde survoltée et dans le western Wyatt Earp (Lawrence Kasdan, 1993) au coté de Kevin Costner et de Gene Hackman. Elle interprète aussi un personnage complexe et perturbé, Laura, la femme d'un rescapé d'un accident dans Etat second (Peter Weir, 1993).
Isabella Rossellini a joué dans quelques téléfilms, notamment Don Quichotte (2000). Parallèlement à sa carrière d'actrice, elle est aussi mannequin, notamment pour les cosmétiques Lancôme.
Courts métrages 1953 | Kort möte med familjen Rossellini [Brève rencontre avec la famille Rossellini] | Gert Engström |
Longs métrages| 1972 | Agostino d'Ippona [TV] [Augustin d'Hippone] | Roberto Rossellini |
| 1952 | Siamo donne : Ingrid Bergman Nous, les femmes : Ingrid Bergman | Roberto Rossellini |
| 1975 | A Matter of Time [Nina] | Vincente Minnelli |
| 1979 | Prato (Il) Le Pré | Vittorio Taviani, Paolo Taviani |
| 1980 | Pap'occhio (Il) | Renzo Arbore |
| 1985 | White Nights Soleil de nuit | Taylor Hackford |
| 1986 | Blue Velvet | David Lynch |
| 1987 | Siesta | Mary Lambert |
| 1987 | Tough Guys Don't Dance Les Vrais durs ne dansent pas | Norman Mailer |
| 1988 | Cousins | Joel Schumacher |
| 1988 | Zelly and Me | Tina Rathborne |
| 1989 | Red riding hood | Adam Brooks |
| 1989 | Wild at Heart Sailor et Lula | David Lynch |
| 1990 | Dames galantes | Jean-Charles Tacchella |
| 1991 | Caccia alla vedova | Giorgio Ferrara |
| 1992 | Death Becomes Her La Mort vous va si bien | Robert Zemeckis |
| 1992 | Innocent (The) [L'Innocent] | John Schlesinger |
| 1993 | Fearless Etat second | Peter Weir |
| 1993 | Wyatt Earp | Lawrence Kasdan |
| 1994 | Immortal Beloved Ludwig Van B. | Bernard Rose |
| 1995 | Croce e delizia | Luciano De Crescenzo |
| 1996 | Big night | Stanley Tucci, Campbell Scott |
| 1996 | Funeral (The) Nos funérailles | Abel Ferrara |
| 1997 | Impostors (The) Les Imposteurs | Stanley Tucci |
| 1998 | Left luggage | Jeroen Krabbé |
| 1999 | Cielo cade (Il) | Andrea Frazzi, Antonio Frazzi |
| 2000 | Roberto Rossellini : Frammenti e battute | Carlo Lizzani |
| 2002 | Empire | Franc Reyes |
| 2002 | Moab Story - The Tulse Luper Suitcases - Part I (The) | Peter Greenaway |
| 2002 | Roger Dodger | Dylan Kidd |
| 2003 | Saddest Music in the World (The) | Guy Maddin |
| 2003 | Tulse Luper Suitcases - Episode 3 : Antwerp (The) | Peter Greenaway |
| 2003 | World V-Day | Abby Epstein |
| 2005 | Infamous Scandaleusement célèbre | Douglas McGrath |
| 2006 | Accidental Husband (The) Un mari de trop | Griffin Dunne |
| 2006 | Brand upon the brain ! Des trous dans la tête ! | Guy Maddin |
| 2007 | Two Lovers | James Gray |
| 2009 | Solitudine dei numeri primi (La) Solitude des nombres premiers | Saverio Costanzo |
| 2010 | Poulet aux prunes | Marjane Satrapi, Vincent Paronnaud |
| 2010 | Trois fois vingt ans | Julie Gavras |
| 2011 | Du vent dans mes mollets | Carine Tardieu |
| 2015 | Joy | David O. Russell |
| 2017 | Incredibles 2 Les Indestructibles 2 | Brad Bird |