Рэйчел Билсон появилась на свет в Лос-Анджелесе 25 августа 1981 года. Дэнни Билсон, ее отец, режиссер, сценарист и продюсер. Дженис Билсон, ее мать, сексотерапевт. Все ее бабушки и дедушки были задействованный в киноиндустрии. Родители Билсон развелись, когде ей было 9 лет.В подростковом возрасте Рэйчел описывает себя как бунтарку. В 14 лет она попала в автокатастрофу, после которой пролежала несколько дней без сознания, получила над глазом шрам и о сих пор испытывает мигрени и провалы в памяти. Выкарабкавшись после аварии она задумалась над своей жизнью и научилась игре на фортепиано. Среднюю школу Билсон окончила в 1995 году, а в 1999 году старшую. Во перриод учебы в старшей школе Рэчел часто играла в театральных постановках.Рейчел ушла с университета после первого курса и по настоянию отца подалась в актрисы. Поначалу она снималась в рекламных роликах. В 2003 году состоялся ее актерский кинодебют в одном их эпизодов «Баффи — истребительница вампиров». В том же году ей предложили роль в молодежном сериале «Одинокие сердца».

Сериал обрл популярность среди молодежи и Билсон вместе с ним. В 2005 году Билсан получила 6 место в рейтинге самых привлекательных женщин по версии журнала Maxim, но уже на следующий год она переместилась на 14е место.В фильме «Прощальный поцелуй» (2006) она получила свою первую роль. В одном из интервью Билсон призналась, что ей больше по душе играть в кино, чем в телесериалах и мечтает что бы ей предложили роль наподобие тех, какие получают Скарлетт Йоханссон и Натали Портман.По окончанию сериала «Одиноких сердец» Рэйчел сыграла эпизодическую роль в сериале «Чак». В 2009 году она сыграла роль в киноальманахе «Нью-Йорк, я люблю тебя» (первая часть). В 2011 году она появилась в двух независимых фильмах «Лучшие друзья и ребенок» и «В ожидании вечности».В телесериале «Зои Харт из южного штат» (2011) Билсон получила главную роль.У Рейчел Билсон был роман с партнером по сериалу «Одинокие сердца» Адамом Броди». И отношения длились три года и закончились в 2006 году. Затем она начала встречаться с актером Хейден Кристенсен, в декабре 2009 пара объявила о помолвке, но уже в середине 2010 года помолвка была расторгнута, но спустя несколько месяцев они опять сошлись.