Née à Florence en 1979, Alba Rohrwacher est la sœur de la scénariste et réalisatrice Alice Rohrwacher, de presque deux ans plus jeune qu'elle. Sa mère est une enseignante italienne et son père un violoniste allemand, devenu ensuite apiculteur en Ombrie. En 2003, elle est diplômée du Centro sperimentale di cinematographia de Rome.

Après quelques apparitions au théâtre, elle enchaîne les rôles au cinéma, et s'impose dans les années 2010, avec notamment son interprétation dans Amore de Luca Guadagnino, dans La Solitude des nombres premiers de Saverio Costanzo, dans La Belle endormie de Marco Bellocchio, dans La Vierge sous serment de Laura Bispuri puis dans Sangue del mio sangue de Marco Bellocchio. Elle obtient la Coupe Volpi de la meilleure actrice à la Mostra de Venise 2014 pour son rôle de femme possédée dans Hungry Hearts de Saverio Costanzo, qui est aussi son compagnon. En février 2016 elle fait partie du jury international des longs-métrages lors du 66e Festival de Berlin, présidé par la comédienne américaine Meryl Streep.