Avant d'être réalisatrice, Rebecca Zlotowski suit une scolarité brillante ; elle intègre l'École normale supérieure de Fontenay-Saint-Cloud et devient agrégée de Lettres Modernes, puis entre en 2003 à la Fémis, l'une des plus prestigieuses écoles de cinéma, dans la section scénario.

Pour son premier long-métrage Belle Épine, qui est aussi son film de fin d'études, la jeune femme retient d'emblée l'attention de ses pairs : le film est sélectionné à la Semaine de la Critique à Cannes et vaut à son actrice principale, Léa Seydoux, le César du Meilleur espoir féminin en 2011. En 2013, la réalisatrice retrouve Cannes et Léa Seydoux grâce à son nouveau film Grand Central, sélectionné à Un Certain Regard. Le film suit une romance naissante dans l'environnement — rarement montré — d'une centrale nucléaire.

La cinéaste joue désormais dans la cour des grands ; elle fait partie du jury du Festival américain de Deauville la même année, et participe au jury Cinéfondation et courts métrages du Festival de Cannes en 2015, sous la présidence d'Abderrahmane Sissako. Pour son troisième film, Rebecca Zlotowski s'ouvre à l'international avec l'ambitieux Planétarium, qui met en scène Natalie Portman et Lily-Rose Depp. Tourné en partie en langue anglaise, ce film d'époque reconstitue le Paris des années 30 pour aborder à la fois le cinéma et la montée du nazisme.

Parallèlement à son activité de réalisatrice, elle signe les scénarios des films de Teddy Lussi-Modeste (Jimmy Rivière et Le Prix du succès) ainsi que celui de Malgré la nuit de Philippe Grandrieux.

En 2019, elle offre dans Une fille facile son premier vrai rôle à Zahia Dehar, connue pour avoir défrayé la chronique avec une affaire de mœurs impliquant des joueurs de l'équipe de France de foot comme Franck Ribéry et Karim Benzema. Ce long-métrage solaire obtient le Prix SACD à la Quinzaine des Réalisateurs. La même année, la réalisatrice s'essaie pour la première fois au format télévisé avec la mini-série politique Les Sauvages, porté par Roschdy Zem.

Elle retrouve ce dernier en 2022 pour son cinquième long-métrage et son plus personnel : Les Enfants des autres. La cinéaste s'intéresse à une figure souvent reléguée au second plan : celui d'une belle-mère (incarnée par Virginie Efira) qui tente de trouver sa place dans la famille de son compagnon et s'interroge sur son propre désir de maternité.