Rachel Emily Nichols nació en Augusta, Maine, y es la hija de Alison y James Nichols, un maestro de escuela. Tiene ascendencia inglesa, francesa canadiense, alemana, irlandesa, italiana y escocesa. Asistió y se graduó de Cony High School en Augusta, donde compitió en el salto de altura. Asistió a la Universidad de Columbia en la ciudad de Nueva York, donde finalmente se graduó con una doble especialización en matemáticas y economía. Comenzó a modelar, iniciando una carrera exitosa con trabajos para empresas tan importantes como Guess, Abercrombie & Fitch y L'Oréal.

Rachel se mudó a la actuación, enganchando un papel en la comedia de situación de HBO Sex & The City (1998) con su primera audición. Hizo su debut en el cine como Jessica Matthews en la precuela Una joven pareja de idiotas (2003). El éxito continuó con los roles en proyectos como Terror en Amytiville (2005), The Inside (2005), Alias ​​(2001), G.I. Joe (2009), Mentes criminales (2005), con un papel recurrente como la agente del FBI Ashley Seaver; y Conan el bárbaro (2011). Ella jugó el papel principal del oficial de policía Kiera Cameron en la serie de ciencia ficción Continuum (2012).