Két bátyja van. Hét évesen szerepet kapott Louis Anderson The Wrong Guys című színdarabjában. Később folytatta ezt a pályát, és a Notre-Dame nevű színiiskolába járt. Itt lehetőséget kapott, hogy 7 rész erejéig egy pici szerepet kapjon a Human Targetben, ami kapcsán elhatározta, hogy inkább a komédiák mellett marad. Rachel első igazi felnőtt a Bye Bye Birdie-ben volt, amit rögtön két másik színdarab követett (The Crucibler, Once Upon a matterss).
Néhány év színház után a televízióban is kipróbálta magát. 1998-ban serepet kapott az It's True! egy epizódjában.
2008-ban a Hipervándorban játszott. 2010-ben az Így jártam anyátokkal című sorozatban Ted, a főszereplő leendő – még ismeretlen – feleségének lakótársát alakította.[2]
2011-től a Szívek doktora című sorozat főszerepében volt látható.
↑ abO'Toole, Lesley: Rachel Bilson: She's the one. The Independent, 2006. október 31. [2007. szeptember 30-i dátummal az eredetiből archiválva]. (Hozzáférés: 2007. január 20.)