Nata nel 1958 a Bologna (Italia), Lucia Serena Rossi ha studiato all'Università di Bologna (Italia), presso la quale ha conseguito nel 1982 la laurea in giurisprudenza e in seguito, nel 1989, il dottorato di ricerca in Diritto europeo.

In parallelo ai suoi lavori di tesi, dal 1982 al 1987 è stata ricercatrice giuridica presso un istituto di ricerca italiano. Nel 1985 è diventata avvocata in Italia.

Lucia Serena Rossi ha ricoperto, dal 1991 al 1994, la carica di professore aggiunto di diritto internazionale presso l'Università degli Studi di Urbino (Italia) e, dal 1994 al 1997, quella di professore associato di diritto internazionale. Chiamata all'Università di Bologna, vi ha insegnato diritto internazionale ed europeo in qualità di professore associato dal 1997 al 2000. Nominata professoressa ordinaria di diritto dell’Unione europea, ha insegnato tale materia presso quest’ultima università dal 2000, ricoprendo nel contempo anche le cattedre di diritto internazionale pubblico e diritto internazionale privato.

Ha contribuito alla diffusione del diritto dell’UE presso varie altre università: è stata visiting professor alla université Robert-Schuman di Strasbourg (Università Robert Schuman di Strasburgo, Francia) dal 2000 al 2008, alla université Nice Sophia-Antipolis (Università Nizza Sophia Antipolis, Francia) nel 2004, alla université Paris 1 Panthéon-Sorbonne (Università Parigi 1 Panteon Sorbona, Francia) nel 2008, alla Boston University (Università di Boston, Stati Uniti) nel 2014 e al King’s College London (King’s College, Londra, Regno Unito) dal 2005 al 2015. In qualità di docente invitata, si è recata anche alla Tōkyō daigaku (universita di Tokyo, Giappone) e all’Universiteit Gent (Università di Gand, Belgio) nel 2004, nonché alla University of Denver (Università di Denver, Stati Uniti) nel 2002 e nel 2009. È inoltre autrice di numerose pubblicazioni.

Lucia Serena Rossi ha ricoperto altresì, dal 1998 al 2018, la carica di direttrice del Centro internazionale ricerche sul diritto europeo dell'Università di Bologna. Dopo aver svolto, dal 2009 al 2010, le funzioni di vicepresidente della Società italiana di diritto internazionale e di diritto dell'Unione europea, ha fatto parte, dal 2011 al 2013, del comitato di gestione misto della China-EU School of Law presso la Zhōngguó Zhèngfǎ Dàxué (China University of Political Science and Law) (Università cinese di scienze politiche e diritto, Cina). Dal 2014 al 2018, è entrata a far parte del comitato direttivo dell'Académie de droit européen (ERA) come rappresentante del governo italiano, che l’ha nominata, dal 2014 al 2017, consigliere giuridico presso il Dipartimento per le Politiche europee della Presidenza del Consiglio dei Ministri.

Autrice e coautrice di numerose pubblicazioni scientifiche, Lucia Serena Rossi è altresì docente presso il Collège d’Europe (Collegio d’Europa) di Bruges (Belgio) e l’université du Luxembourg (Università del Lussemburgo) dal 2019.

Giudice alla Corte di giustizia dal 8 ottobre 2018 al 7 ottobre 2024.