Nascida na pequena cidade de Baarn, na Holanda, Sharon van Rouwendaal mudou-se ainda criança com a família para a França. Foi no novo país onde começou a nadar e se destacar nos eventos de base. Em 2008 com apenas 15 anos de idade bateu os recordes nacionais nos 400m e 1500m livre e no ano seguinte retornou ao seu país natal para treinar em Eindhoven com o técnico Jacco Verhaeren já tida como grande potencial para o futuro.
Nos anos seguintes continuou superando recordes nacionais e obtendo resultados expressivos. Em 2010 conquistou suas primeiras medalhas internacionais no Campeonato Europeu de piscina curta em Eindhoven e no ano seguinte subiu ao pódio pela primeira vez em um Campeonato Mundial de Esportes Aquáticos ao levar o bronze nos 200m costas em Xangai-2011.
A partir de 2014 deixou as provas de piscina em segundo plano para se dedicar as águas abertas. No Campeonato Europeu de Berlim terminou como grande destaque ao vencer a maratona de 10 km e no Campeonato Mundial de Kazan-2015 foi vice-campeã na distância.
Sua evolução nas águas abertas se confirmou em 2016 quando chegou a glória máxima de sua carreira ao sagrar-se campeã olímpica na Praia de Copacabana realizando uma prova bastante estratégica onde poupou energias para uma arrancada no final da maratona, chegando 17 segundos a frente de suas adversárias.
Em 2017 chegou como favorita a Budapeste para o Mundial de Esportes Aquáticos, mas não nadou bem e deixou a capital húngara com apenas uma medalha prata nos 25 km. Começou 2018 bem vencendo a etapa inicial da FINA Marathon World Series e no Europeu foi a melhor atleta da competição ao somar três medalhas de ouro e uma de prata, terminando a temporada eleita pela revista americana Swimming World a melhor do ano.
Em 2019 teve problemas com lesões que ameaçaram sua participação no Campeonato Mundial de Gwangju, mas se recuperou a tempo e conseguiu nadar o Mundial. Não foi ao pódio na Coreia do Sul, mas celebrou a conquista da vaga olímpica com décima colocação na prova de 10 km.
