Рэйчел Сара Билсон родилась 25 августа 1981 года в Лос-Анджелесе. Ее отец Дэнни Билсон – известный режиссер, сценарист и продюсер, а мать Дженис Станго далека от творческой деятельности: она работала секс-терапевтом. От родителей Рэйчел унаследовала смешанные еврейско-итальянские корни. Прадед актрисы перебрался в Соединенные Штаты из Великобритании. Его профессиональная деятельность была напрямую связана с кинопроизводством. То же самое можно сказать про прабабушку Хэтти, основным занятием которой являлось написание сценариев. Дед Брюс Билсон продолжал семейную традицию, став успешным режиссером. Его заслуги перед кинематографом были отмечены премией «Эмми».
Семья Билсон не отличалась крепостью. Девочке не исполнилось и десяти лет, когда родители подали на развод, после чего отец взял в жены актрису Хизер Медуэй. Вскоре у Рэйчел появилось две сводные сестры Хэтти и Розмари. В подростковом возрасте она пережила серьезную автомобильную аварию. Позднее сама актриса признавалась, что несчастный случай благотворно повлиял на ее характер, сделав более серьезной и ответственной. К сожалению, катастрофа не прошла бесследно и по другим параметрам. С тех пор девушку начали преследовать внезапные мигрени и провалы в памяти. До начала актерской карьеры Билсон обучалась в начальной школе Walter Reed Middle School, а затем поступила в Notre Dame High School.
В тот же период Рэйчел впервые вышла на театральную сцену. После окончания школы она поступила в колледж Grossmont, но задержалась здесь только на один год. Юная бунтовщица оставила вуз ради построения актерской карьеры. Ее первой работой перед камерами стала съемка в рекламных роликах. Кинематографический дебют Билсон состоялся в 2003 году. Свои ранние роли она получала в маленьких эпизодах. Так, например, начинающая актриса сыграла Дженни в комедии положений Трейси Геймбл «8 простых правил для друга моей дочери-подростка». В том же году Билсон снялась в популярном молодежном мистическом сериале Джосса Уидона «Баффи – истребительница вампиров», где главную роль исполнила Сара Мишель Геллар.
Третья работа в кино принесла Рэйчел первую широкую известность и любовь зрителей. Ее утвердили на одну из главных ролей в молодежном сериале Джоша Шварца «Одинокие сердца». Партнерами Билсон по съемочной площадке выступили Питер Галлахер, Келли Роуэн, Бенджамин Маккензи, Миша Бартон и Адам Броди. С последним актрису связало не только профессиональное сотрудничество: романтический союз Адама и Рэйчел продержался около трех лет. Другой видной работой актрисы стала роль Ким в комедийной мелодраме Тони Голдуина «Прощальный поцелуй», где ее партнером выступил Зак Брафф, звезда телесериала «Клиника». 2008 год принес Рэйчел новую значительную роль и вместе с ней второй длительный роман. На сей раз Билсон появилась в образе Милли Харрис в приключенческом фантастическом фильме Дага Лаймана «Телепорт». Романтические отношения у нее завязались с исполнителем главной мужской роли Хейденом Кристенсеном. Постепенно они переросли в длительную и серьезную связь. В 2011 году Билсон приступила к работе над медицинским сериалом «Зои Харт из южного штата», где ей досталась главная роль доктора Харт, стремящейся, подобно ее отцу, стать превосходным кардиохирургом.
