Rachel Nichols a été mannequin pour des marques prestigieuses, comme Guess, Abercrombie & Fitch, ou bien encore L'Oreal, alors même qu'elle suivait des cours de comédie, et cela presque par hasard. En 2002, elle abandonne le métier de modèle pour se consacrer à celui de comédienne. Son premier rôle sera dans la série Sex and the City, où elle jouera un petit rôle (d'amatrice de partouzes).
Elle enchaîne ensuite avec plusieurs films, dont Dumb & dumberer : quand Harry rencontra Lloyd. Puis, elle obtient un rôle important dans la série The Inside : dans la tête des tueurs. En 2005, elle rejoint la série Alias, pour la dernière saison. Elle est alors pressentie, en tout cas par les fans, comme remplaçante de Jennifer Garner en tant qu'héroïne de la série.
Elle se fait ensuite remarquer, cette fois-ci au cinéma, dans Amityville, remake du classique de 1979. Toujours dans le genre horrifique, en 2006, elle est présente au casting de The Woods de Lucky McKee. En 2007, toujours dans le même genre, elle est l'héroïne de 2ème sous-sol.
En 2009, elle se retrouve présente sur deux gros blockbusters hollywoodiens: le Star Trek de J.J. Abrams, où elle tient un rôle coloré (en vert), et le G.I. Joe - Le Réveil du Cobra de Stephen Sommers, où elle joue l'un des membres du commando donnant son titre au film.
 
De couleur naturelle blonde, Rachel Nichols change régulièrement de couleur de cheveux. Ainsi, pour G.I. Joe on a pu la voir en rousse. Elle apparut aussi teinte en brune pendant un temps.