朱利叶斯·罗森伯格（Julius Rosenberg）和他的妻子埃塞尔·罗森伯格（Ethel Rosenberg）是美籍犹太人。1941～1944年，苏联一直是抗击德国法西斯侵略战争的主力。由于美国的失业率居高不下，再加上希特勒对犹太人进行残酷迫害，美国国内的许多进步青年特别是犹太人非常同情和支持苏联的反法西斯战争，所以这个时期是苏联在美国招募间谍的黄金时代。1942年春，在纽约一家无线电工厂担任信号检察员的罗森伯格被苏联驻纽约贸易机构的克格勃人员塞米诺夫看重并发展为间谍。由于工作关系，罗森伯格能够接触到许多有关电子工业发展的新情况，这些新情况都源源不断地传送到了莫斯科。
1943年，美国联邦调查局开始对苏联在美国的贸易机构严密监视，塞米诺夫不得不奉命回国。临走前，他把自己经营管理的间谍都移交给了接替他的费克利索夫，费克利索夫是在1941年初被派到苏联驻纽约的总领事馆工作的，在名单中，他注意到了罗森伯格这个名字。在停止了几个月的秘密活动后，费克利索夫认为美国反间谍部门对苏联外交人员的监视已经松弛下来，于是决定同罗森伯格恢复联系。1943年下半年的一个星期天，费克利索夫在确信自己没有被人跟踪后，来到纽约曼哈顿商业区罗森伯格的寓所。他按了门铃并通报了自己的姓名，暗示自己是塞米诺夫的朋友，心领神会的罗森伯格立刻把他让到屋里并商定了几个星期后双方在曼哈顿一家饭店碰头。
最初罗森伯格向费克利索夫提供情报的说法是先将情报偷出来给他，他在一个秘密的地方马上进行手抄，抄完后再还给罗森伯格由他放回原处。这种方式需要双方经常见面并且见面时间也过长，很容易暴露。1944年6月，费克利索夫交给罗森伯格一个莱卡照相机，并教会他如何拍摄文件，使得罗森伯格与他见面的次数和时间大大减少，同时也降低了风险。
第二次世界大战期间，罗森伯格向苏联提供了大量的情报，其中包括美国国防工业的一些重大技术发现，其中最有价值的是美国的无线电引信军事情报。无线电引信是导弹的“千里眼”，它可以大大提高导弹命中目标的精确度。美国军方对无线电引信的生产是高度保密的，防范十分严密。但是，罗森伯格还是利用工作之便，通过废弃的引信零件成功地组装出一个完好的引信，下面的问题就是如何将它偷运出工厂了。
这一天，轮到罗森伯格押车把工厂的废品运往垃圾场了。他事先把大约9千克重的无线电引信和零件装在一个纸箱里，然后把它扔到垃圾车上，和其他的废品混在一起。在前往垃圾场的路上，罗森伯格假意要买东西，让司机在一家杂货商场前停下，他进去买了一箱杂货后，叫司机再把它送到自己家门口。在家门口，他把装杂货的纸箱和装引信的纸箱都卸下来，送上自己的公寓楼，在房间里藏好后，才从容地跟司机一同前往垃圾场。12月24日，费克利索夫和罗森伯格在一家饭店里碰头并相互交换“圣诞礼品盒”。会面后，费克利索夫马上乘坐出租车把“礼品盒”送回总领事馆，随后又通过外交邮袋送回莫斯科。苏联军工部门得到罗森伯格提供的无线电引信后，立即进行研究并仿造，使苏联的导弹命中率大大提高。据说20世纪60年代，安装了这种引信的苏式萨姆二型导弹先后击落了6架美国的U2高空侦察机。此外，使用了这种引信的苏制导弹在越南战争中还击落了多达150架的美国战斗机和轰炸机，使美国军方震惊不已。
事后，克格勃的领导批评罗森伯格这样做太冒风险，他却毫不在意地说：“同那些在敌人坦克面前冲锋陷阵的苏联红军战士相比，我所冒的风险不到百分之一。”
这里需要指出的是，罗森伯格除了直接向苏联提供情报外，他还秘密发展了自己在大学期间几名思想进步的同学充当苏联间谍，他们通过罗森伯格向苏联提供了一些情报。1944年，罗森伯格发展了他的内弟戴维·格林格拉斯为苏联间谍，当时，他绝对不会想到，5年后正是这位卑微的内弟出卖了自己。格林格拉斯在美国新墨西哥州的洛斯阿拉莫斯核试验基地工作，偷窃美国的原子弹技术是当时苏联间谍的最主要任务，但格林格拉斯只是试验基地的一个极低层的工作人员，根本接触不到核心机密，被发展后，他只偷了几份无关紧要的文件交给罗森伯格。
1946年夏天，克格勃总部通知费克利索夫，联邦调查局正在调查苏联在第二次世界大战期间在美国建立起来的间谍网，克格勃在纽约的一切秘密活动都要立即停止。这是因为随着战争结束，美国情报机构得以从国外战场上抽出身来，目光对准了国内。负责侦听和破译工作的美国国家安全局制定了一个代号为“韦诺纳”的绝密计划，目的是要破译苏联的通讯联络密码，这个计划很快被莫斯科知道了，所以急令在美国的间谍停止活动。一个闷热的夜晚，费克利索夫和罗森伯格在纽约的一家饭店见面，这是他们50多次见面的最后一次。费克利索夫告诉罗森伯格今后同克格勃恢复联系的暗号和地点，并交给他1000美元在紧急情况下使用。
苏联在世界各地的特工人员都使用统一的“一次性密码本”，这种密码本的每一页只能用一次，用后立即销毁。一个偶然的机会，由于苏联驻波兰大使馆机要员的疏忽，烧毁密码本时没有烧尽，美国花重金从波兰人手中购得残缺的密码本，从而获得了破译苏联通讯密码的线索。从1947年开始，“韦诺纳”计划的专家们陆续破译出苏联密码，从而发现了苏联在美国的原子弹间谍网。
1949年，根据破译的密码，联邦调查局在洛斯阿拉莫斯核试验基地展开调查，很快地，格林格拉斯落网，他供出了他的姐姐和姐夫，罗森伯格夫妇被捕。
当时正处于冷战的高峰时期，美国的麦卡锡主义甚嚣尘上，反共气氛十分嚣张，原子间谍案成了右翼势力迫害进步人士的借口。1948年总统大选中，国会参众两院同声指责行政部门疏忽大意，未能查出“赤色分子”，共和党总统候选人杜威指责杜鲁门政府“悉心照顾共产党”。这种气氛注定了罗森伯格夫妇的悲剧性角色。
审判一开始，天平就向一边倾斜。主审法官把美国在朝鲜战争中的失利归咎于罗森伯格夫妇，艾森豪威尔总统说罗森伯格夫妇“实质上……背叛了全体美国人民……他们的行为实质上出卖了自由世界人民此刻正在为之战斗，为之流血牺牲的自由事业”。一桩间谍案被提到如此高度，实属罕见。
在这种歇斯底里似的喧嚣中，罗森伯格夫妇被判处死刑，从而在美国引起一场风波。争议的焦点是联邦调查局给罗森伯格夫妇定罪的证据。联邦调查局的证据有二：一是戴维·格林格拉斯的供词，他指认自己的姐姐、姐夫是他充当间谍的引路人；二是联邦调查局掌握的苏联密码，当时尚属最高机密，无法在法庭上用来作为指证罗森伯格夫妇的证据。
联邦调查局言之凿凿，可罗森伯格夫妇却死不认罪，这时美国乃至世界舆论明显分成两派，本案因而成为美国司法史上最具争议性的案件之一。
联邦调查局在量刑的同时指出，如果罗森伯格夫妇愿意招供，可以为他们减刑。但从作出死刑判决的1951年4月5日到执行死刑的1953年6月19日期间，罗森伯格夫妇始终拒绝跟联邦调查局合作，在审讯中一言不发。
罗森伯格夫妇慷慨赴死，使联邦调查局这帮“法官”大失所望，也大为震惊。罗森伯格间谍案在美国乃至全世界都引起了轰动。法国谴责美国“野蛮地迫害忠良”，罗马教皇向艾森豪威尔发出呼吁，希望总统能免罗森伯格夫妇一死。
6月19日，罗森伯格夫妇在臭名昭著的纽约星星监狱被处以死刑，罪名是偷窃美国制造原子弹的秘密情报。这是美国历史上第一对因间谍罪而被处死的平民夫妇。因此，当时的美国联邦调查局局长胡佛将此案称之为“世纪罪案”。