Rachel Bilson wurde in eine kalifornische Showbiz-Familie hineingeboren: Ihr Vater war als Drehbuchautor, Regisseur und Produzent tätig und schon ihre Groß- und Urgroßeltern waren in der Filmbranche beschäftigt. Rachel hatte im Alter von vierzehn Jahren einen schweren Autounfall, den sie als prägendes Erlebnis bezeichnete: Ihm verdankt sie eine Narbe über dem rechten Auge.
Während ihrer Highschool-Zeit trat Rachel Bilson erstmals in Theaterstücken auf. Durch die Kontakte ihrer Eltern bekam sie ihre erste Filmrolle in "The Wrong Guys". Die Fantasyserie "It's True", in der sie ebenfalls mitspielte, wurde allerdings wegen schlechter Quoten wieder abgesetzt. Daraufhin drehte die Schauspielerin einige Werbespots und ging weiter unermüdlich zu Vorsprechen. Ihre Beharrlichkeit zeigte Erfolg und so erhielt Rachel Bilson Rollen in den Serien "Buffy - Im Bann der Dämonen" und "Meine wilden Töchter" sowie in dem Kinofilm "Unbroken".
Der endgültige Durchbruch gelang der hübschen Schauspielerin 2003 mit der Serie "O. C., California". Sie kam dort so gut an, dass ihre anfängliche Nebenrolle zu einer Hauptrolle umgeschrieben wurde. Nachdem die Serie eingestellt worden war, erweiterte Rachel Bilson ihren Steckbrief durch Filme wie "Der letzte Kuss" und "Jumper". In der Serie "Hart of Dixie" übernahm sie 2011 erneut eine Hauptrolle. Rachel Bilson unterhält eine stürmische On-Off-Beziehung mit dem "Star Wars"-Star Hayden Christensen. Vorher war sie zwei Jahre lang mit ihrem Schauspielkollegen Adam Brody liiert, den sie am Set von "O. C., California" kennengelernt hatte.