Née à Londres d'une mère autrichienne et d'un père hongrois ayant fui leurs pays à l'aube de la Seconde Guerre Mondiale, l'adolescente Rachel Weisz entame, en parallèle de ses études, une carrière de mannequin. Cependant, à l'université, elle crée une compagnie théâtrale, les Talking Tongues, et se fait remarquer dans la reprise de Sérénade à trois, une pièce de Noel Coward mise en scène par Sean Mathias. À l'écran, c'est à la télévision qu'elle fait ses premiers pas avec le téléfilm Advocates II (1992) et des apparitions dans différentes séries comme Inspecteur Morse et Un privé sous les tropiques. Très vite, elle s'attaque au cinéma et apparaît dans Death machine (1995), un film de science-fiction de Stephen Norrington, puis au bord de la piscine dans Beauté volée (1996) de Bernardo Bertolucci.

Par la suite, Rachel Weisz s'éprend de Keanu Reeves dans Poursuite (id.), un thriller d'action d'Andrew Davis, et de Vincent Perez dans Au coeur de la tourmente (1998), un drame romantique de Beeban Kidron. Elle donne également la réplique à Catherine McCormack dans Trois Anglaises en campagne (id.) mais ce sont les succès de La Momie (1999) et du Retour de la momie (2001), où elle incarne l'égyptologue Evelyn Carnahan, qui permettent au grand public de la découvrir.

Au début des années 2000, Rachel Weisz s'illustre dans deux drames historiques : Sunshine, où elle donne la réplique à Ralph Fiennes, et Stalingrad de Jean-Jacques Annaud, où elle tient le rôle de la Bolchévique Tania Chernova. Dans ses films suivants, l'actrice s'illustre par son éclectisme : Hugh Grant voit en elle la mère célibataire d'un pré-adolescent difficile dans Pour un garçon (2002), Keanu Reeves l'invite à descendre aux enfers dans Constantine (2004) et Ralph Fiennes est prêt à tout pour venger son meurtre dans The Constant Gardener (2005).

Rachel Weisz tourne ensuite pour son compagnon Darren Aronofsky dans l'ambitieux film de science-fiction The Fountain (2006), avant de prêter sa voix à la puissante dragonne d'Eragon. L'année suivante, elle joue devant la caméra de Wong Kar-Wai dans My Blueberry Nights et s'essaye à la franche comédie avec Frère Noël, où elle donne la réplique à Vince Vaughn. La comédienne est ensuite transportée dans l’Égypte du IVème siècle pour Agora (2010) d'Alejandro Amenábar puis se voit observée de l'au-delà par sa fille assassinée dans Lovely Bones (id.) de Peter Jackson.

En 2011, Rachel Weisz est à l'affiche de l'angoissant Dream House, où elle a pour mari à l'écran Daniel Craig. Quelques mois plus tard, la réalité rejoint la fiction car les deux acteurs se disent oui. Cependant, le planning de l'actrice ne désemplit pas ; avant de participer à l'aventure Jason Bourne : l'héritage, elle joue dans deux films ayant pour thèmes l'infidélité et la passion amoureuse : The Deep Blue Sea et 360. On la retrouve ensuite à l'affiche de deux films sélectionnés à Cannes : Youth de Paolo Sorrentino, avec Harvey Keitel et Michael Caine, et The Lobster de Yorgos Lanthimos, où elle donne la réplique à Colin Farrell.

Véritablement à l'aise dans tous les registres, Rachel Weisz émeut dans Une vie entre deux océans, mélo signé Derek Cianfrance avec Michael Fassbender et Alicia Vikander, montre ensuite sa force de conviction à Timothy Spall dans Le Procès du siècle et fait tourner la tête de Sam Claflin dans le mystérieux My Cousin Rachel.