Roberta Zambrini se graduó en la Università degli Studi di Milano (1999) y es doctora por la UIB (2003). Estuvo de postdoc (2003-2006) en la Universidad de Strathclyde (Glasgow, Reino Unido), donde estudió las propiedades mecánicas de la luz. A continuación obtuvo un contrato Ramon y Cajal y se incorporó al IFISC (Instituto de Física Interdisciplinar y Sistemas Complejos), durante su creación en 2006. Desde 2008 es 'Científica Titular' del CSIC.
Su investigación abarca los sistemas cuánticos complejos, la óptica cuántica y, recientemente, el aprendizaje automático cuántico. Sus contribuciones más recientes incluyen la predicción de sincronización en regímenes cuánticos, el estudio de aspectos metodológicos, termodinámicos y de información en sistemas cuánticos abiertos y la extensión del "reservoir computing" a sistemas cuánticos. Ha publicado más de 80 artículos de revistas internacionales, impartido 80 charlas (mas de 30 invitadas) en congresos internacionales y 30 seminarios en universidades, y coordinado siete proyectos (internacionales, nacionales y regionales).
En 2020 coordinó el libro blanco 'Información Digital y Compleja', una de las 14 temáticas de los Desafíos 2030 del CSIC y durante el 2021 ha sido parte de la Comisión del área MATERIA del CSIC. Actualemnte es Gestora del AEI, subárea: Física y sus aplicaciones (FYA). Ha impulsado el IFISC-OSA “student chapter” (2009-2017) y varias actividades de divulgación y sobre genero en STEM; entre 2017 y 2021 ha sido vicepresidenta de GEOCONL (RSEF) y de QUONLOP (Sedoptica). Actualmente es editora asociada de las revistas Physical Review Letters (de la American Physical Society). Durante su carrera ha sido parte de numerosos paneles de evaluación de proyectos y contratos, tanto nacionales como internacionales.