Rachel Brosnahan commence sa carrière à 19 ans, avec le long métrage d’horreur, Unborn, aux côtés de Gary Oldman. Puis elle enchaîne les apparitions dans Gossip Girl, The Good Wife, Les Experts : Miami, Grey’s Anatomy. Diplômée de la célèbre Tisch School of Art en 2012 (dont sont sortis Vince Gilligan, Ang Lee, Michael C. Hall et bien d’autres….), la jeune actrice continue sur grand écran, en incarnant Genevieve Duchannes, responsable de la malédiction de la dynastie dans Sublimes créatures.

Les seconds rôles télévisés prennent une certaine étoffe, ses personnages également. Elle incarne l’amie de Tricia Miller dans Orange Is The New Black ; Rachel Postner, engagée par Doug Stamper pour corrompre Peter Russo, dans House of Cards ; Jolene Parker, une professeure qui doit se rapprocher de Tom Keen, dans Blacklist ; la femme de Charlie Isaacs dans Manhattan, et une suicidaire sauvée de la noyade par Kevin Coulson (Cory Michael Smith) dans Olive Kitteridge.

En 2015, elle tient l'un des rôles principaux de The Dovekeepers, diffusée sur CBS en deux épisodes, avec Cote De Pablo, Sam Neill et Kathryn Prescott. L'année suivante la jeune femme enchaîne avec la mini-série comique de Woody Allen, Crisis in Six Scenes, aux côtés de Miley Cyrus et John Magaro. Puis le film Traque à Boston en fait une participante et victime de l'attentat du marathon de 2013.

Amazon voit en elle l'héroïne exubérante de La Fabuleuse Mme Maisel, où après avoir vu s'effondrer son mariage, une épouse déçue ne mâchant pas ses mots décide de faire de sa vie un stand-up, faisant scandale dans l’Amérique puritaine des années 50. Son interprétation lui vaut le Golden Globe de la Meilleure actrice en 2018. À la suite de ce succès critique, elle tient encore une fois un rôle de premier plan en se glissant dans la peau d'une jeune femme qui bouleverse la vie de son nouveau quartier dans Change in The Air.

Parallèlement à La Fabuleuse Mme Maisel, qui dure jusqu'en 2023, Rachel Brosnahan joue dans le policier I'm Your Woman (2020), le film d'espionnage Un espion ordinaire (2021), le western Dead for a Dollar (2023) et le thriller The Amateur (2025), dans lequel elle campe la femme de Rami Malek. Toujours en 2025, elle interprète Lois Lane dans le nouveau Superman signé James Gunn.