Rosendahl ble olympisk mester i friidrett to ganger under Sommer-OL 1972 i München. Hun vant lengdehoppkonkurransen for damer med et hopp på 6,78 meter, kun en centimeter lengre en Diana Yorgova fra Bulgaria. Hun var også med på det vesttyske stafettlaget som vant 4 x 100 meter stafett for damer, med tiden 42,81 som var verdensrekord, foran Øst-Tyskland og Cuba. De andre på laget var Ingrid Becker, Annegret Richter og Christiane Krause. Rosendahl kom på andreplass i femkamp bak britiske Mary Peters.