Née et élevée en Tasmanie (Australie), Rachael Taylor désire devenir actrice depuis le plus jeune âge, et participe notamment à des pièces de théâtre de son école. Mais c'est sur les podiums qu'elle se fait d'abord remarquer, devenant mannequin pour l'agence Skye-Jilly International, remportant pour l'occasion le prix de Miss Teen Tasmania. Elle touche ensuite son objectif du doigt dès 2004, à l'âge de 20 ans, en apparaissant dans des téléfilms comme Natalie Wood – le Prix de la Gloire ou Dynasty : the Making of a Guilty Pleasure. Deux co-productions australo-américaines, qui marquent le début d'une carrière partagée entre son pays et celui de l'Oncle Sam.

En 2005, elle obtient son premier rôle conséquent sur grand écran dans le film d'horreur Man-Thing, basé sur le personnage L'Homme-chose des comics Marvel, pour lequel elle joue une institutrice. Malheureusement, le projet est plutôt mal reçu par les critiques et par le public, ce qui ne l'empêche pas de participer plus tard au slasher Le Regard du Diable. Entre-temps, elle passe par la case télévision avec Headland, une série australienne centrée sur des étudiants et leurs péripéties. Rachael change de dimension en 2007 grâce à sa présence au casting du blockbuster Transformers, dans lequel elle incarne Maggie, une analyste du Pentagone très utile lorsqu'il s'agit de décoder des signaux extra-terrestres.

Le succès du film lui permet de se faire connaître à bien plus grande échelle, et d'enchaîner les projets par la suite. Elle retourne notamment au registre horrifique en donnant la réplique à Joshua Jackson dans Spirits, succès au box-office malgré les retours négatifs de la presse. Après sa participation au pilote avorté de la série Washingtonienne en 2009, elle fait tourner la tête du personnage principal de Cedar Boys, puis élargit sa palette de jeu en expérimentant la comédie romantique avec Splinterheads et la science-fiction avec Ghost Machine. Rachael obtient ensuite le rôle principal de Summer Coda en incarnant Heidi, une jeune femme s'embarquant dans une aventure romantique alors qu'elle rentre chez elle en auto-stop. Ces différents projets passent globalement plutôt inaperçus.

La production de la série Grey's Anatomy l'engage ensuite pour incarner la gynécologue Lucy Fields dans sa saison 7, ce qui lui permet de retrouver un plus large public. En 2011, elle joue dans Red Dog, un film familial australien très populaire basé sur l'histoire vraie du "chien rouge" voyageant à travers le pays des kangourous pour retrouver son maître disparu. Avant de donner la réplique à Emile Hirsch dans un nouveau film d'horreur, The Darkest Hour, elle tente un retour à la télévision en incarnant une des drôles de dames de Charlie's Angels, remake de la série homonyme qui ne fait finalement pas long feu, annulé après une saison. Ses deux séries suivantes, 666 Park Avenue (2012) - dans laquelle incarne une jeune femme emménageant dans une résidence dont les habitants ont vendu leur âme au Diable - et Crisis (2014), connaissent malheureusement le même destin.

Alors que le sort semble s'acharner, Rachael Taylor apparaît parmi le charmant casting (Karl Urban, James Marsden, Matthias Schoenaerts) du thriller The Loft. Surtout, elle retrouve enfin le succès en 2015 grâce à Jessica Jones, nouvelle série Netflix estampillée Marvel, dans laquelle elle incarne Trish Walker, meilleure amie de l'héroïne-titre interprétée par Krysten Ritter. Son rôle, basé sur le personnage de comics Patsy Walker, lui permet de faire son entrée dans l'univers partagé très prisé de la Maison des Idées.