Klubben deltok i Mesterligaen hvert år fra 1995 til og med 2005, med unntak av høsten 2003, da klubben spilte i UEFA-cupen. Rosenborg var ikke med i Mesterligaen i 2006, grunnet 7.-plass i Tippeligaen i 2005, men kvalifiserte seg nok en gang i 2007. Klubben har gjort mange store prestasjoner i Mesterligaen, blant annet kvartfinalen mot Juventus i 1997, etter at de vant 2-1 mot AC Milan på San Siro i Italia. Klubbens siste bemerkelsesverdige resultat i Mesterligaen kom 24. oktober og 6. november 2007, da RBK slo Valencia CF først på hjemmebane og to uker senere også på bortebane. I begge kampene vant Rosenborg 2-0. Rosenborg har også slått lag som Real Madrid, Dortmund, FC Porto og Galatasaray. De har spilt uavgjort mot lag som Chelsea, Arsenal, Inter Milan, Bayern München og Juventus. De står pr. 2020 med 128 kamper i turneringen, inkludert kvalifiseringskamper. I kraft av seriemesterskapene siden 2007 har klubben gjentatte ganger blitt slått ut i kvalifiseringen til mesterligaen, men har fått en andre sjanse gjennom gruppespillet i Europaligaen (2012, 2015, 2017–2019).