Après avoir été remarquée par un producteur dans un bar où elle travaille à mi-temps, Rachelle LeFevre débute sa carrière en 1999 en incarnant Stacey Hanson dans la série pour ados Le Loup-Garou du campus, qu’elle quitte après la première saison afin de poursuivre ses études.  La Québécoise retrouve rapidement le chemin des plateaux de tournage, essentiellement dans des productions canadiennes : Stardom, réalisé par Denys Arcand, qui lui permet de montrer qu’elle parle impeccablement français, ainsi que le thriller Abandon ou la série Largo Winch. En 2002, elle est dirigée par George Clooney dans son premier film en tant que réalisateur : Confessions d’un homme dangereux. Deux ans plus tard, la jeune femme déménage à Los Angeles dans l’espoir de voir sa carrière décoller.

C’est surtout à la télévision qu’elle enchaîne dès lors les apparitions : Charmed, Veronica Mars et How I Met Your Mother profitent de ses boucles rousses le temps d’un épisode, puis la dramédie What About Brian l’accueille pour dix épisodes. Son charisme la conduit naturellement à obtenir des rôles plus conséquents par la suite, mais pas dans des séries qui parviennent à s’installer sur le long terme. C’est ainsi qu’elle interprète une jeune détective dans la courte version américaine du show anglais Life On Mars, qu’elle joue une jeune femme qui n’a pas froid aux yeux dans Swingtown, consacrée à des couples échangistes dans les années 70, ou qu’elle devient médecin à deux reprises, d’abord dans l’exotique Off The Map, puis dans la plus urbaine A Gifted Man.  A cette même époque, le public la connait surtout pour son rôle de Victoria, la vampire flamboyante de Twilight. Mais elle ne le tiendra que dans les deux premiers opus. Elle accepte en effet de rejoindre Paul Giamatti dans le film Le Monde de Barney, où elle tient le rôle exigeant de sa femme maniaco-dépressive. Le tournage se déroulant en même temps que celui du troisième chapitre de la saga, elle est remplacée par Bryce Dallas Howard.

A la télévision,  elle est la star de deux pilotes pour CBS qui ne se transforment pas en série : le médical Gimme Shelter et le policier Applebaum. La chaîne tient toutefois à l’avoir sur son antenne et l’inclut à la distribution de sa série événement de l’été 2013 : Under The Dome. Dans cette production signée Steven Spielberg, adaptée du roman de Stephen King, elle joue Julia Shumway, la journaliste indépendante de la petite ville de Chester’s Mill coupée du monde lorsqu’une sphère transparente l’entoure soudainement. La comédienne figure en parallèle au générique du blockbuster de Roland Emmerich White House Down.