Son père, Gabriele Rossetti, est un homme de lettres ; contraint de quitter Naples en raison de ses idées politiques proches de la Carboneria, il se réfugie à Londres en 1824, où, à partir de 1831, il travaille comme professeur d'italien au King's College.
Dante Gabriel a un frère, William Michael, et deux sœurs : Maria, qui devient religieuse anglicane, et Christina, qui se consacre avec succès à la poésie. Dès son jeune âge, il se passionne pour la peinture et la littérature, influencé par les goûts de son père. Il se rapproche de Dante, dont il est un profond admirateur, au point de modifier l'ordre de ses prénoms, ainsi que de Poe et de Blake, qui orientent ses expériences ultérieures. Après avoir suivi sans grand enthousiasme les cours du King's College, il entre à la Sass's Drawing Academy puis, en 1845, à l'Antique School de la Royal Academy. En 1847, il fait la connaissance de Ford Madox Brown, dont il est l'élève pendant une courte période, de William Holman Hunt et de John Everett Millais, avec lesquels il fonde l'année suivante la Confrérie préraphaélite.
La critique est hostile à la Confrérie et seul John Ruskin prend sa défense. Dans les peintures des années cinquante, Rossetti se consacre surtout aux thèmes médiévaux, notamment à la Vita nuova de Dante. Durant cette même période, il rencontre Elizabeth Siddal et en tombe amoureux, quittant la maison de ses parents pour vivre avec elle, d'abord dans un cottage à West Hill, puis, en novembre 1852, à Chatham Place, dans un immeuble situé en face du Blackfriars Bridge. Leur relation est tourmentée par la santé précaire de la jeune femme et par sa jalousie, motivée par les nombreuses aventures sentimentales de Rossetti, de Fanny Cornforth, son modèle pour de nombreux tableaux, à Annie Miller, que son ami Hunt lui avait imprudemment confiée avant son voyage en Terre sainte. En 1855, encouragée par Rossetti et Ruskin, Elizabeth commence à peindre et à écrire des poèmes ; elle expose elle aussi ses tableaux avec les autres préraphaélites, lors de l'exposition de 1857 à Russell Place et de celle de l'année suivante à New York.
En 1856, Rossetti collabore à une édition illustrée des poèmes de Tennyson, publiée par Edward Moxon ; ce n'est pas un succès commercial, mais c'est l'occasion de se faire connaître du public. L'année suivante, il accepte la mission de décorer de fresques certaines salles de l'Oxford Union avec plusieurs artistes, parmi lesquels William Morris et Edward Burne-Jones, ses élèves dévoués.
Le 23 mai 1860, après de longues fiançailles tourmentées, Rossetti épouse Elizabeth Siddal dans l'église St Clement à Hastings et passe sa lune de miel à Paris. À partir de 1861, il travaille avec acharnement pour la société de Morris. Le 2 mai de la même année, Elizabeth donne naissance à une fille mort-née ; la douleur la plonge dans un état de profond abattement qui la conduit au suicide, le 11 février 1862, par une dose excessive de laudanum. Toute sa vie, Rossetti reste accablé par le remords et commence à souffrir d'insomnie et de crises dépressives récurrentes. Durant ces années, il peint de préférence des femmes fatales et troublantes, aux chevelures abondantes et aux lèvres sensuelles, souvent associées à des images allégoriques ou symboliques.
À la fin des années soixante-dix, Rossetti peut être considéré comme un artiste reconnu, mais il est régulièrement tourmenté par des troubles nerveux, des problèmes de vue et l'insomnie, aggravée par l'abus d'alcool et de chloral, qui lui provoque de fortes hallucinations. Ses modèles préférés de ces années sont Fanny Cornforth, qui vit quelque temps avec lui à Tudor House, à Chelsea, Alexa Wilding et Jane Burden, l'épouse de Morris. En 1870, il publie Poems, recueil de ses œuvres poétiques, comprenant notamment celle qu'il avait enterrée avec son épouse Elizabeth et qu'il récupère en faisant exhumer le cadavre. De 1871 à 1874, il vit à Kelmscott Manor avec la famille Morris, angoissé par les critiques féroces qui accueillent ses poèmes, au point de tenter même de se suicider en 1872. En 1874, il s'installe à Cheyne Walk, où il travaille à huit tableaux différents, tous inspirés du thème de Proserpine. En 1879, il se lie d'amitié avec Thomas Hall Caine, un jeune homme de Liverpool aux ambitions littéraires, que Rossetti accueille comme élève et comme fils.
Le 4 février 1882, il se rend avec Caine à Birchington-on-Sea, près de Margate, dans le Kent, où il meurt le jour de Pâques, le 9 avril.