Procedent d’una família de classe mitjana, en la seva joventut s’involucrà activament amb moviments d’esquerra: l’any 1964, en què un cop d’estat instaurà la dictadura militar, ingressà al partit obrerista POLOP, escissió del Partit Socialista, aviat escindit al seu torn en dues tendències, una de les quals fou l’origen del Comando d’Alliberament Nacional (COLINA), partidari de la lluita armada, al qual s’uní. Els anys següents, des de la clandestinitat, participà en accions de guerrilla urbana mentre estudiava econòmiques. Entre el 1970 i el 1972 fou empresonada i sotmesa a tortures. Després de sortir de la presó, amb el seu company Carlos Araújo fundà el Partit Democràtic del Treball (PDT), pel qual ocupà diversos càrrecs públics en el Govern de l’estat de Rio Grande do Sul.
L’any 2000, arran d’una disputa interna, s’uní al Partit dels Treballadors (PT) de Luiz Inácio da Silva i ocupà càrrecs governamentals quan aquest accedí a la presidència: fou ministra de Mines i Energia entre el 2003 i el 2005 i, des de la crisi ministerial d’aquest any, cap del gabinet presidencial fins a l’octubre del 2010. Amb el suport de Lula da Silva, fou candidata pel PT en les eleccions presidencials de l’octubre d’aquest darrer any, en les quals derrotà en segona volta el candidat José Serra, del Partit de la Socialdemocràcia del Brasil (centrista), amb el 56% dels vots, i esdevingué la primera dona a ocupar la presidència del Brasil. De les eleccions en sorgí un govern de coalició entre el PT i el Partit del Moviment Democràtic del Brasil (PMDB).
Durant el seu mandat, continuà la política de Lula Da Silva d’estimulació al creixement econòmic i de reducció de la pobresa extrema, camps en què aconseguí progressos importants. Tot i això, els anys previs als Mundials de Futbol, celebrats al Brasil (estiu del 2014), tingué lloc una onada de grans manifestacions a les poblacions més importants contra les despeses excessives, el mal estat dels serveis públics i la corrupció. Aquesta xacra es féu especialment evident al juny del 2011, quan un escàndol comportà la dimissió del ministre de la Presidència. La seva política mediambiental fou també objecte de nombroses crítiques, tant pels col·lectius d’indígenes de l’Amazones i els ecologistes com per les empreses i els lobbys favorables a la colonització d’aquests territoris. Donà suport a una Comissió de la Veritat que inicià l'activitat el 2012, per a investigar els abusos comesos durant la dictadura militar de 1964-85. En política internacional maldà per fer prevaler el pes del Brasil en els grans fòrums mundials, al costat dels altres grans estats emergents (BRICS). En la segona volta de les eleccions presidencials (26 d’octubre de 2014), revalidà el càrrec amb el 51% dels vots davant del candidat centrista Aécio Neves. En la nova legislatura, el PT reedità la coalició amb el PMDB.
Aquest mateix any una investigació judicial destapà una trama corrupta de grans proporcions que involucrava l'empresa estatal Petrobras, empresaris i polítics, tant del govern com del Partit dels Treballadors, a través de la qual s'haurien pagat des del 2003 suborns milionaris a través de contractes. L'escàndol sense precedents comportà la dimissió i destitució de nombrosos alts càrrecs del govern i destacats membres del partit, a més de desencadenar protestes massives que exigien la dimissió del govern i de la mateixa Rouseff. Enmig d'una gran irritació per aquestes revelacions i també per l'evolució negativa de l'economia, al març del 2016 el PMDB abandonà la coalició de govern i l'expresident Lula fou detingut i imputat en el cas. Pocs dies després, Rousseff designà Lula cap de gabinet (amb la qual cosa restà automàticament sota el règim d'aforament), nomenament que causà una gran controvèrsia. El 17 d'abril el Congrés votà afirmativament la proposta de l'oposició d'iniciar un procés judicial contra la presidenta ("impeachment") per ocultació de comptes públics, suborn i blanquejament relacionats amb l'escàndol de Petrobras, mesura confirmada pel Senat el 12 de maig. Suspesa del càrrec, ocupà interinament la presidència l'exvicepresident Michel Temer, líder del PMDB i un dels principals impulsors de la causa contra Rousseff. El 31 d'agost el Senat aprovà la destitució de Rousseff. Al desembre del 2019 junt amb Lula i altres exmembres del govern fou absolta del càrrec d'associació il·lícita.