Рейчел Сара Билсон родилась 25 августа 1981 года в Лос-Анджелесе, США.
После окончания школы поступила в колледж, бросила его после первого курса, чтобы сосредоточиться на актерской карьере. Сначала снималась в рекламе, в 2003 году дебютировала на телевидении в сериале «Восемь простых правил для друга моей дочери-подростка», затем снялась в сериале «Баффи - истребительница вампиров» (в каждом по эпизоду). Тогда же прошла пробы в сериал «Одинокие сердца» (все 92 эпизода, одна из центральных ролей), который принес ей всеамериканскую известность и ряд премий (например, «Teen Choice Award») и номинаций на них.
Ставшая популярной актриса моментально взлетела во всевозможных рейтингах «самых сексуальных женщин» (шестая по версии журнала «Maxim» в 2005 году и так далее), стала регулярно появляться на обложках известных глянцевых изданий («Maxim», «FHM», «Harper's Bazaar» и другие). Много раз участвовала в различных теле- и радиошоу.
В 2006 году Билсон дебютировала и на большом экране - фильм «Прощальный поцелуй», где ей досталась одна из главных ролей.
В 2008 году Рейчел появилась в фантастическом триллере «Телепорт», где вместе с ней снялись Хейден Кристенсен и Джейми Белл, а также Рейчел досталась роль в одной из новелл картины «Нью-Йорк, я люблю тебя».
В 2009 году Билсон исполнила главную роль в мелодраме «В ожидании вечности», а в 2010 году появилась в одном из эпизодов сериала «Как я встретил вашу маму».
В 2011 году Рейчел сыграла роль Лауры в комедии «Лучшие друзья и ребенок», а также начала сниматься в главной роли в сериале «Зои Харт из южного штата», которую исполняла на протяжении двух сезонов.
В 2013 году Билсон появилась во второстепенной роли в комедии «С кем переспать?!!».