Rachel Bilson nasceu em Los Angeles, para Janice (Stango), uma terapeuta sexual e Danny Bilson. Seu pai é judeu asquenazi e sua mãe é descendente de italianos. Ela começou a atuar ainda na Notre Dame High School. Ela se formou no colegial em 1999 e foi para o Grossmont College, mas desistiu depois de um ano e foi encorajada a seguir uma carreira na atuação de seu pai, ele próprio escritor, diretor e produtor.
Ela trabalhou em comerciais e conseguiu alguns papéis únicos em programas de TV de alto nível antes de conseguir o papel de Summer Roberts na série de TV de sucesso The O.C. (2003), estabelecendo-se como um nome familiar.
