Rothermel, Sohn des Gastwirts und Farmers Peter F. Rothermel, arbeitete zunächst als Messgehilfe und zog im Alter von etwa zwanzig Jahren nach Philadelphia, wo er sich als Schildermaler betätigte und Unterricht im Malen und Zeichnen von dem Grafiker, Maler und Kunstlehrer John Rubens Smith und bei dem Maler und Lithografen Bass Otis (1784–1861) erhielt. Nachdem er anfangs als Porträtmaler gewirkt hatte, profilierte er sich seit den frühen 1840er Jahren als Historienmaler. Als solcher trat er 1842 mit dem großformatigen Gemälde "Columbus Before the Queen" in Erscheinung, in dem bereits die romantischen und dramatischen Qualitäten seiner späteren Bilder angelegt waren, deren Stoffe er der Geschichte, der Literatur und der Bibel entnahm. 1844 begann er als Vizepräsident der "Artists’ Fund Society" im Kunstleben Philadelphias eine prominente Rolle zu spielen. Von 1847 bis 1855 diente er der Pennsylvania Academy of the Fine Arts als Direktor. In dieser Zeit war er daran beteiligt, an der Akademie einen Lehrplan zu etablieren. 1860 wurde er ihr "Academician", später Präsident des "Council of Academicians", 1864 Präsident der "Artists’ Fund Society". Außerdem gehörte er zum Beirat der Centennial Exhibition. In Philadelphia, in New York City und an anderen Orten nahm er an Ausstellungen teil, 1859 mit drei Bildern am Salon de Paris. Seine Illustrationen sowie Reproduktionen seiner Gemälde erschienen in diversen Journalen, etwa in "Godey’s Lady’s Book", "Sartain’s Union Magazine of Art and Literature" und in "The Opal".