Im Alter von 14 Jahren war der Hart of Dixie-Star in einen Autounfall verwickelt und lag vier Tage im Koma. Doch seitdem hat sie sich erholt und alles, was den schicksalhaften Tag erinnert, ist eine Narbe über ihrer rechten Augenbraue.
Rachel Bilson unternimmt ihre ersten Schritte im Fernsehgeschäft in Gastauftritten in ABCs 8 Simple Rules und The WBs Buffy the Vampire Slayer, bevor sie schließlich das ganz große Los mit der Hauptrolle der Summer Roberts in FOXs vierjähriger Teenie-Soap The OC zieht und den weltweiten Durchbruch erlangt.
Später heuert sie für einen zweiteiligen Gastauftritt in Chuck (2007) an, das ebenfalls von „OC“-Schöpfer Schwartz stammt. 2009 wirkt sie in Heidi Klums US-Model-Casting-Show „Project Runway“ als Gastjurorin mit. Zudem übernimmt sie eine Gastrolle in How I Met Your Mother als Cindy, die mit Ted ausgeht und zumindest zeitweise die Mitbewohnerin der späteren Mutter ist. Als Ärztin aus der Großstadt, die in einem Kaff einen Anteil an einer Arztpraxis übernimmt, übernimmt Bilson 2011 bis 2015 eine weitere Erfolgsrolle in der Serie Hart of Dixie. Nach dem Serienfinale besucht die Darstellerin zunächst für einige Episoden die Musikserie Nashville bevor sie 2018 eine Hauptrolle in der kurzlebigen Krimiserie Take Two übernimmt.
Im Kino ist die Schauspielerin in Filmen wie dem SciFi-Drama „Jumper“ (2008) oder in den Romanzen „Der letzte Kuss“ (2006), „New York, I Love You“ (2009), „Waiting Forever“ (2008), „L!fe Happens - Das Leben eben!“ (2010) und in „The To Do List“ (2013) zu sehen.
Nach dem Ende von "Take Two" zog sich Rachel Bilson zeitweise aus dem Schauspielgeschäft zurück und verlagerte ihren Fokus auf neue Medien. Zusammen mit ihrer ehemaligen Serienkollegin Melinda Clarke moderierte sie von April 2021 bis August 2023 den Podcast "Welcome to the OC, Bitches!", in dem die beiden Episoden von "O.C., California" erneut schauen und besprechen. Gäste waren unter anderem frühere Mitschauspieler wie Mischa Barton und Adam Brody sowie Schöpfer Josh Schwartz. Seit 2022 führt sie zusätzlich den wöchentlichen Podcast "Broad Ideas" mit ihrer Freundin Olivia Allen, in dem sie lockere Gespräche mit prominenten Gästen führt. Zu den Besuchern zählten bisher unter anderem Kristen Bell und Aubrey Plaza. Mit ihrem Auftritt in "Scrubs" im Jahr 2026 kehrte sie zudem auf den Bildschirm zurück.
Rachel Bilson trat im Laufe ihrer Karriere in mehreren Werbekampagnen für nationale Marken auf und übernahm dabei teils sportliche Rollen. Ihre bekannteste Werbung stammt aus dem Jahr 2012 für die Eismarke „Magnum“, für die sie einen Spot für das Produkt Double Caramel drehte. Darin steckt sie im Stau, klettert aus ihrem Wagen und läuft über die Dächer zahlreicher Autos, um an ihr Eis zu gelangen. Der unter dem Motto Nothing Can Keep You From Magnum ausgestrahlte Spot ist bis heute auf YouTube abrufbar.
Von 2007 bis 2017 war Rachel Bilson mit dem Schauspieler Hayden Christensen liiert, den sie am Set des Films „Jumper“ kennenlernte. Das Paar verlobte sich, löste die Verlobung 2010 kurzzeitig und fand später wieder zusammen, heiratete jedoch nie. Im Oktober 2014 kam die gemeinsame Tochter Briar Rose zur Welt, deren Vorname von der Prinzessin aus dem Disney-Film „Dornröschen“ inspiriert wurde. Nach der Trennung im September 2017 pflegen die beiden ein harmonisches gemeinsames Sorgerecht und verbringen sogar die Feiertage gemeinsam.
Zuletzt war Bilson kurz mit dem Schauspieler Bill Hader liiert, was 2020 öffentlich wurde.
Amüsant ist, dass sie im Jahr 2020 von ehemaligen Mitschülerinnen per Crowdfunding-to-Schadensersatz verklagt wurde, weil sie zugab, in der Schule Geld für den Eintritt zur Schultoilette kassiert zu haben. Eine weitere kuriose Geschichte erzählt sie selbst gern: Bei einem Geburtstagsgeschenk für ihre Tochter verwechselte sie angeblich den Disney-Namen und legte damit versehentlich den Grundstein für eine Familie voller Disney-Fans.