Рэйчел Макадамс родилась в Лондоне, Онтарио, а росла в соседнем городе St. Thomas. Ее отец, Ланс — водитель грузовика, а мать, Сандра — медсестра. У нее есть младший брат, Даниэль, и младшая сестра, Кейлин.

В 4 года она начала заниматься фигурным катанием.

В 12 лет сыграла в летнем театральном лагере «Original Kids», училась в Myrtle Street Public School и продолжила свое образование в Central Elgin Collegiate Institute. Рэйчел закончила Йоркский университет в Торонто с отличием и получила степень BFA в области театра в 2001 году.

Рэйчел сыграла главную роль в фильме «Цыпочка» вместе с Робом Шнайдером, однако настоящее признание она получила после роли Реджины Джордж в фильме «Дрянные девчонки» (2004). Ранее Рэйчел появилась в канадском телевизионном сериале «Slings and Arrows». Она играет главную роль в первом сезоне, но из-за возрастающей славы она прекратит съёмки и во втором сезоне появится только в первом эпизоде.

Также в 2004 году вышла экранизация одноименного романа Николаса Спаркса «Дневник памяти», где Рэйчел сыграла вместе с Райаном Гослингом. После съемок фильма у них начался роман, через два года совместной жизни они расстались, но в августе 2008 года их отношения возобновились, а затем в ноябре этого же года они вновь расстались.

В 2005 году она сыграла любовное увлечение Оуэна Уилсона в «Незваных гостях». Затем она сыграла Лизу Райсерт в триллере «Ночной рейс», молодую женщину, удерживаемую на борту самолета убийцей Джексоном Риппнером (Киллиан Мёрфи). В этом же году Макэдэмс снялась в фильме «Привет семье!» вместе с Дайан Китон, Сарой Джессикой Паркер, Дермотом Малруни, Люком Уилсоном и Клэр Дэйнс. Она прослушивалась на роль Сью Шторм в «Фантастической четверке», но роль досталась Джессике Альбе.

В 2006 году карьера Макадэмс замедлилась. Сначала она была нанята как исполнительница главной роли в фильме «Последний Поцелуй», но выбыла из-за конфликтов, и роль была отдана Джасинде Бэрретт. Позже она решила освободить год от работы в кино и провести время с друзьями и семьей.

В 2007 она согласилась играть главную роль в драме «Супружество» вместе Пирсом Броснаном и Патришей Кларксон. Также она прослушивалась на роль девушки Бонда Веспер Линд в очередном фильме о Джеймсе Бонде «Казино „Рояль“, но роль досталась Еве Грин. Она могла сыграть роль Энн Хэтэуэй в фильме «Дьявол носит Prada», и главную женскую роль в «Миссия невыполнима 3».

2009 год был напряженным для Рэйчел. Сначала она играла главную роль в политическом триллера «Большая игра» с тремя обладателями премии Оскар: Беном Аффлеком, Расселом Кроу и Хелен Миррен. Также сыграла главную роль в фильме «Жена путешественника во времени» совместно с Эриком Бана, фильм вышел 14 августа 2009. Фильм основан на одноименном романе Одри Ниффенеггер 2003 года.

В декабре 2009 года вышел фильм Гая Ричи «Шерлок Холмс», где Макадэмс сыграла Ирен Адлер вместе с Робертом Дауни мл. и Джудом Лоу. Она также сыграла эпизодическую роль в сиквеле к этому фильм «Шерлок Холмс: Игра теней».

Макадамс сыграла одну из главных ролей вместе с Дайн Китон, Харрисоном Фордом и Джеффом Голдблюмом в комедии «Доброе утро», выпущенной в США 10 ноября 2010.

В 2011 году она сыграла роль в романтической комедии Вуди Аллена «Полночь в Париже».

В 2012 году Рэйчел вместе с Ченнингом Татумом снялась в драме «Клятва», с Беном Аффлеком и Ольгой Куриленко в драме «К чуду», а с Нуми Рапас в триллере «Страсть».

В июне 2013 года с ее участием вышла картина «Бойфренд из будущего», где ее партнером стал Донал Глисон.

В 2014 году приступила к съемкам в главной роли во втором сезоне сериала «Настоящий детектив», показ которого стартовал в июне 2015 года.

Также в 2015 году с ее участием вышли картины «Все будет хорошо», «Алоха» и «Левша».