Rachel Sarah Bilson è nata a Los Angeles, California, il 25 agosto 1981, dalla madre Janice, una terapeuta e da Danny Bilson, un scrittore, produttore e direttore. La madre di Rachel è italoamericana mentre il padre è ebreo. Nel 1997 i genitori di Rachel si separarono e in seguito suo padre si sposò con Heather Medway, un'attrice e madre di Hattie, la sorellastra di Rachel, nata il 19 dicembre 2001. Quando aveva 13 anni, lei e un gruppo di amici furono coinvolti in un incidente, una collisione frontale con un'altra macchina. Rachel rimase in coma per alcuni giorni e aveva una cicatrice sopra l'occhio. Ebbe per un po' di tempo l'emicrania e delle perdite di memoria. Nel 1996 si diplomò alla Walter Reed Middle School e nel 1999 si diplomò al Notre Dame High School. Durante la permanenza al Notre Dame High School, Rachel ha partecipato alle produzioni teatrali e apparse sul palco di American Idol, come una delle finalisti. Dopo essere apparsa in alcune serie tv, la sua carriera inizia nel 2003 dove entra a fare parte del cast del telefilm The O.C. nel ruolo di Summer Roberts, fino alla conlusione dello show nel 2007. Nel 2003, Rachel iniziò a uscire con il coprotagonista di The O.C., Adam Brody.La loro storia durò fino al 2006 quando resero ufficiale la rottura del fidanzamento. Da allora l'attrice è stata spesso vista in compagnia di Hayden Christensen (suo partner in Jumper - Senza confini), ma nessuno dei due ha mai confermato ufficialmente la storia. Rachel è stata definita da molti media un'amante della moda ed ha affermato che il suo look si ispira alla bellissima Top Model Kate Moss, e alla celebre Diane Keaton. I suoi stilisti preferiti sono Stella McCartney, Marc Jacobs e Chanel.