Росен Плевнелиев е роден на 14 май 1964 г. в град Гоце Делчев, област Благоевград в семейството на учителите Славка (починала 2017) и Асен Плевнелиеви (починал 1985). Има по-голям брат – Румен. Потомък е на българи бежанци от Плевня, Драмско, преселили се в България през 1913 г. Когато е на десет години, семейството му се премества в Благоевград.

Средното си образование получава в Природо-математическата гимназия в Благоевград, между 1978 и 1982 г. Завършва с отличие гимназията и през 1982 г. заема първо място на националното състезание по компютърно програмиране.

От 1982 г. до 1984 г. отбива редовна военна служба в Школата за запасни офицери в гр. Плевен и в Изчислителния център на Генералния щаб на Българската армия в гр. София.

В периода 1984 – 1989 г. завършва Висшия машинно-електротехнически институт в София, със специалност „изчислителна техника“.  Като студент Росен Плевнелиев става член на Българската комунистическа партия и е избран в ръководството на партийната организация във ВМЕИ „Ленин“.[8] Владее немски и английски език.
Веднага след завършване на висше образование започва работа като научен сътрудник в Института по микропроцесорна техника, но политическите промени в България го оставят без работа.

Започва да развива собствен бизнес през 1990 г., когато основава и започва да развива дружеството „Ирис Интернешънъл“ АД – първата строителна фирма в България със сертификат ISO 9001, получен през октомври 1999 г. Фирмата работи на повече от 80 строителни обекта в Германия и участва в изпълнението на довършителни работи на проекти като Райхстага, Комерцбанк – Франкфурт, летище Мюнхен, летище Дюселдорф и др.

Някои от нейните знакови проекти за България са реконструкцията на хотела на „Шератон“ в София, изграждането на централен офис на „БНП Париба“ в София, центъра на „Даймлер-Крайслер“ в София, Бизнес парк София и др.
На 4 септември 2011 г. Росен Плевнелиев е обявен за кандидат-президент на партия ГЕРБ. На 7 септември същата година подава оставка като министър на регионалното развитие и благоустройството, приета от парламента на 9 септември, за да участва пълноценно в изборите. На I-я тур на президентските избори през октомври 2011 г. Плевнелиев печели 1 349 380 гласа (40,11% от действителните гласове), а на II-я тур – 1 698 136 (52,58% от действителните гласове).
На 19 януари 2012 г. Росен Плевнелиев полага клетва пред Народното събрание. Веднага след това клетва полага и вицепрезидентът Маргарита Попова. След изтичането на мандата на президента Георги Първанов, на 22 януари 2012 г. при тържествена церемония Росен Плевнелиев встъпва в длъжността президент на Република България.
Няма деца от първия си брак с Вероника Кавракова. За втората си съпруга Юлияна се жени през 2000 г., семейството има трима сина – Филип, Асен, Павел.  Първородният му син Филип е приет в Националната кардиологична болница на 7 август 2015 г. вечерта във влошено здравословно състояние. Детето умира на 8 август 2015 г. от дисекация на аортата на 14 години. Развежда се повторно през 2017 г. През същата година обявява публично връзката си с Десислава Банова, за която се сгодява през март 2018 г. Росен Плевнелиев и Десислава Банова сключват брак в София на 17 юни 2018 г. На 1 октомври 2018 г. двойката се сдобива със син Йоан.