Stefania Rocca frequenta il Centro Sperimentale di Cinematografia di Roma. Il successo arriva grazie a Naima, icona cyberpunk nel film Nirvana (1997) del regista Premio Oscar Gabriele Salvatores e con Viol@ (1998) di Donatella Maiorca. Studia all’Actor’s Studio e lavora con Anthony Minghella ne Il talento di Mr. Ripley (1999), Kenneth Branagh in Pene d’amor perdute (2000) e Tom Tykwer in Heaven (2002).
Nel 2002 con Casomai di Alessandro D’Alatri ottiene la candidatura al David di Donatello e ai Nastri d’argento come miglior attrice protagonista, così come per La vita come viene(2004) di Stefano Incerti. Lavora con Abel Ferrara in Mary (2005) e GO GO Tales (2007).
Per La bestia nel cuore (2006) di Cristina Comencini, presentato all’Oscar, ottiene un’altra nomination come miglior attrice non protagonista ai Nastri e ai David. Successivamente lavora in Francia in Le Candidat di Niels Arestrup e L’Envahisseur di Nicolas Provost presentato al Festival di Venezia nel 2011.