Prof. Dr. Rahmstorf studierte Physik in Ulm und Konstanz und physikalische Ozeanographie an der University of Wales (Bangor). Sein Studium schloß er mit einer Arbeit zur allgemeinen Relativitätstheorie ab. Anschließend promovierte er 1990 in Ozeanographie an der Victoria University of Wellington (Neuseeland). Nach der Promotion arbeitete er als Wissenschaftler am New Zealand Oceanographic Institute und am Institut für Meereskunde in Kiel. Seit 1996 ist er am Potsdam-Institut für Klimafolgenforschung (PIK) tätig. Dort erforscht er insbesondere Wechselwirkungen zwischen Ozeanen und der globalen Erwärmung sowie natürliche Klimaveränderungen. 1998 habilitierte er an der Universität Kiel. 1999 wurde er von der amerikanischen McDonnell-Stiftung mit einem Förderpreis in Höhe von einer Million Dollar ausgezeichnet. Er übernahm 2000 die Professur für das Fach Physik der Ozeane an der Universität Potsdam. Prof. Rahmstorf diente von 2004-2013 im Wissenschaftlichen Beirat Globale Umweltveränderungen (WBGU) und ist Mitglied in der Academia Europaea. Er war einer der Leitautoren des 4. IPCC-Berichts. 2007 wurde er zum Honorary Fellow der University of Wales ernannt, 2010 zum Fellow der American Geophysical Union. Er gehört seit 2012 dem wissenschaftlichen Beirat von National Geographic Deutschland an. 2017 erhielt er – als erster Forscher außerhalb der USA – den Climate Communication Prize der American Geophysical Union, 2019 den ZEIT Wissen Preis „Mut zur Nachhaltigkeit“.
Neben zahlreichen Fachpublikationen hat er mehrere Bücher verfasst: Der Klimawandel (2006, zusammen mit Hans-Joachim Schellnhuber), Wie bedroht sind die Ozeane (2007, gemeinsam mit Katherine Richardson), The Climate Crisis (2010, mit David Archer) und Wolken, Wind & Wetter (2011).