В 2004 - 2006 годах Рейчел Билсон встречалась с актером Адамом Броди.

В 2007 году начала встречаться с актером Хайденом Кристенсеном, который сделал ей предложение в 2008 году.

В июне 2010 года стало известно, что пара разошлась, но через несколько месяцев они вновь стали встречаться.

29 октября 2014 года у пары родилась дочь Брайар Роуз.