Rachel Sarah Bilson se narodila 25. srpna 1981 v Los Angeles v Kalifornii. Pochází z rodiny, která je silně spjatá s filmovým a televizním průmyslem. Její otec, Danny Bilson, je režisér, scenárista a producent, známý například prací na filmu „Trancers“ nebo seriálu „The Flash“ z roku 1990. Matka, Janice Stango, pracuje jako sexuální terapeutka. Dědeček z otcovy strany, Bruce Bilson, je také uznávaný režisér, který režíroval epizody mnoha populárních televizních seriálů, včetně „The Brady Bunch“ a „Get Smart“. Rachel má staršího bratra jménem Johnny a dvě mladší nevlastní sestry, Hattie a Rosemary, z otcova druhého manželství. Vzhledem k rodinnému zázemí se Rachel už od útlého věku pohybovala v uměleckém prostředí, což ji přirozeně vedlo k zájmu o herectví. Navštěvovala Notre Dame High School v Sherman Oaks v Kalifornii, kde si zahrála v několika školních divadelních produkcích, například v muzikálu „Bye Bye Birdie“. Po střední škole krátce studovala na Grossmont College v San Diegu, ale brzy se vrátila do Los Angeles, aby se plně věnovala herecké kariéře.
Na počátku své kariéry se Rachel Bilson objevovala v několika televizních reklamách, například pro společnost Subway nebo Raisin Bran. Její první televizní role přišla v roce 2003, kdy hostovala v epizodách seriálů „Buffy, přemožitelka upírů“ a „8 Simple Rules“. Skutečný zlom však nastal, když byla obsazena do role Summer Roberts v teenagerském dramatickém seriálu „O.C.“ (The O.C.). Původně měla být její postava pouze opakující se, ale díky silné chemii s Adamem Brodym, který hrál Setha Cohena, a jejímu charismatickému projevu, se stala jednou z hlavních postav seriálu. „O.C.“ se stal obrovským fenoménem a Rachel Bilson se přes noc stala celebritou. Seriál běžel v letech 2003 až 2007 a přinesl jí celosvětovou popularitu. Během natáčení „O.C.“ začala Rachel chodit s Adamem Brodym, a jejich vztah byl bedlivě sledován médii. V roce 2006 si odbyla svůj filmový debut ve filmu „Poslední polibek“ (The Last Kiss), romantické komedii-dramatu, kde hrála po boku Zacha Braffa. Film získal smíšené recenze, ale Rachelina role byla často pozitivně hodnocena.
Po skončení „O.C.“ v roce 2007 se Rachel Bilson zaměřila na filmovou kariéru. V roce 2008 získala jednu z hlavních rolí ve sci-fi akčním thrilleru „Jumper“, kde si zahrála po boku Haydena Christensena. Film, který režíroval Doug Liman, vypráví příběh o Davidovi Riceovi (Hayden Christensen), který dokáže teleportovat a je pronásledován tajnou společností. Rachel ztvárnila Millie Harris, Davidovu lásku z dětství. Během natáčení „Jumpera“ se Rachel a Hayden sblížili a brzy začali tvořit pár, což se stalo jedním z nejdiskutovanějších hollywoodských románků. Film „Jumper“ byl komerčně úspěšný, ale recenze byly spíše negativní. I přes to se Rachelina popularita udržela. V roce 2007 se objevila jako hostující hvězda v seriálu „Chuck“, kde si zopakovala roli, kterou si zahrála v „O.C.“, a v roce 2010 se objevila v několika epizodách populárního sitcomu „Jak jsem poznal vaši matku“ (How I Met Your Mother) jako Cindy, spolubydlící Matky. Její role byla klíčová pro rozvoj příběhu hlavní postavy Teda Mosbyho. V roce 2011 si také zahrála ve filmu „Čekání na věčnost“ (Waiting for Forever).
Další významnou kapitolou v kariéře Rachel Bilson se stala hlavní role v televizním seriálu „Doktorka z Dixie“ (Hart of Dixie), který se začal vysílat v roce 2011. Zde ztvárnila postavu Dr. Zoe Hart, mladou a ambiciózní lékařku z New Yorku, která se přestěhuje do malého městečka Bluebell v Alabamě, aby převzala lékařskou praxi po svém otci. Seriál, vytvořený producentkou „O.C.“ Joshuou Schwartzem a Stephanie Savage, se zaměřoval na její snahu zapadnout do nového prostředí a vyrovnat se s místními obyvateli. „Doktorka z Dixie“ si získala oddanou fanouškovskou základnu a Rachel Bilson byla za svůj výkon chválena. Seriál běžel čtyři sezóny a skončil v roce 2015. Během vysílání seriálu se Rachel také věnovala módě. V roce 2011 spustila svou vlastní módní kolekci s názvem „Edie Rose“ pro společnost DKNY Jeans. Po „Doktorce z Dixie“ se Rachel objevila v několika dalších projektech. V roce 2017 měla opakující se roli v televizním seriálu „Nashville“ a v roce 2018 si zahrála v seriálu „Take Two“ po boku Eddieho Cibrianse, který však byl zrušen po jedné sezóně. V roce 2019 se objevila v menších rolích v seriálech „Lovci duchů“ (Supernatural) a „Drunk History“.
Osobní život Rachel Bilson byl často předmětem zájmu médií, zejména její vztah s hercem Haydenem Christensenem. Pár se zasnoubil v roce 2008, rozešel se krátce v roce 2010, ale brzy se k sobě vrátil. V roce 2014 se jim narodila dcera, kterou pojmenovali Briar Rose Christensen. Rodina žila převážně v Kanadě, na farmě, kterou Hayden vlastní. Po téměř deseti letech společného soužití se Rachel a Hayden rozešli v roce 2017, ale zůstali v přátelském vztahu kvůli dceři a často se objevují na veřejnosti společně při rodinných příležitostech. Od té doby se Rachel Bilson zaměřuje na výchovu své dcery a výběr projektů, které jí umožní skloubit kariéru s mateřstvím. V roce 2021 spustila podcast s názvem „Broad Ideas with Rachel Bilson“, kde se svými hosty, převážně ženami, diskutuje o různých tématech od mateřství a kariéry po duševní zdraví a vztahy. Podcast se stal oblíbeným a ukázal její odlehčenou a autentickou stránku. V roce 2023 se objevila v několika hostujících rolích a pokračuje v moderování svého podcastu, čímž si udržuje kontakt se svými fanoušky a zůstává aktivní v zábavním průmyslu.