Suo padre, Gabriele Rossetti, è un letterato; costretto a lasciare Napoli a causa delle sue idee politiche vicine alla Carboneria, nel 1824 ripara a Londra, dove, dal 1831, trova lavoro come professore di italiano al King's College.
Dante Gabriel ha un fratello, William Michael, e due sorelle: Maria, che diventa una suora anglicana, e Christina, che si dedica con successo alla poesia. Sin da giovane si appassiona alla pittura e alla letteratura, influenzato dai gusti paterni. Si avvicina a Dante (di cui è profondo ammiratore, tanto da alterare l'ordine dei suoi nomi), Poe e Blake, che guidano le sue esperienze successive. Dopo aver eseguito con poca voglia i corsi del King's College entra alla Sass's Drawing Academy e, nel 1845, all'Antique School della Royal Academy. Nel 1847 conosce Ford Madox Brown, di cui è allievo per un breve periodo, William Holman Hunt e John Everett Millais, con i quali dà vita, l'anno seguente, alla Confraternita dei Preraffaelliti.
La critica è ostile nei confronti della Confraternita e solo John Ruskin ne prende le difese. Nei dipinti degli anni cinquanta Rossetti si dedica soprattutto a temi medievali, in particolare alla Vita nuova di Dante. Negli stessi mesi conosce Elizabeth Siddal e se ne innamora, lasciando la casa dei genitori per andare a vivere con lei, dapprima in un cottage a West Hill, poi, nel novembre 1852, a Chatham Place, in un edificio di fronte al Blackfriars Bridge. Il loro legame è tormentato dalle precarie condizioni di salute della ragazza e dalla sua gelosia, motivata dalle numerose avventure sentimentali di Rossetti, da Fanny Cornforth, sua modella per molti dipinti, a Annie Miller, che l'amico Hunt gli ha incautamente affidato, prima del suo viaggio in Terra Santa. Nel 1855, incoraggiata da Rossetti e da Ruskin, Elizabeth comincia a dipingere e a scrivere poesie; anche lei espone i suoi dipinti con gli altri Preraffaelliti, nella mostra del 1857 a Russell Place e alla rassegna dell'anno seguente a New York.
Nel 1856 Rossetti collabora a una edizione illustrata dei poemi di Tennyson, pubblicata da Edward Moxon; non è un successo commerciale, ma è l'occasione per farsi conoscere dal pubblico. L'anno seguente accetta l'incarico di affrescare alcuni ambienti dell'Oxford Union con alcuni artisti, tra cui William Morris e Edward Burne-Jones, suoi affezionati allievi.
Il 23 maggio 1860, dopo un lungo e tormentato fidanzamento, Rossetti sposa Elizabeth Siddal nella chiesa di St Clement a Hastings e trascorre la luna di miele a Parigi. Dal 1861 lavora alacremente per la società di Morris. Il 2 maggio dello stesso anno Elizabeth dà alla luce una figlia morta; il dolore la getta in uno stato di profonda prostrazione, che la porta al suicidio, l'11 febbraio 1862, per una dose eccessiva di laudano. Per tutta la vita Rossetti rimane oppresso dal rimorso e comincia a soffrire di insonnia e di ricorrenti crisi depressive. In questi anni dipinge di preferenza donne fatali e conturbanti, con ampie capigliature e labbra sensuali, spesso associate a immagini allegoriche o simboliche.
Alla fine degli anni settanta Rossetti può dirsi un artista affermato, eppure è tormentato ripetutamente da disturbi nervosi, da problemi alla vista e dall'insonnia, accentuata dall'abuso di alcol e cloralio, che gli procura forti allucinazioni. Le modelle preferite di questi anni sono Fanny Cornforth, che per un certo tempo vive con lui nella Tudor House, a Chelsea, Alexa Wilding e Jane Burden, moglie di Morris. Nel 1870 pubblica Poems, raccolta delle sue opere poetiche, compresa quella che aveva seppellito insieme alla moglie Elizabeth e che recupera facendo riesumare il cadavere. Dal 1871 al 1874 vive a Kelmscott Manor con la famiglia Morris, angosciato dalle feroci critiche con cui sono accolte le sue poesie, tanto da tentare addirittura il suicidio nel 1872. Nel 1874 si trasferisce a Cheyne Walk, dove lavora a otto dipinti differenti, tutti ispirati al tema di Proserpina. Nel 1879 stringe amicizia con Thomas Hall Caine, un giovane di Liverpool con velleità letterarie, che Rossetti accoglie come allievo e figlio.
Il 4 febbraio 1882 si reca con Caine a Birchington-on-Sea, vicino a Margate, nel Kent, dove muore il giorno di Pasqua, il 9 aprile.