Rebecca Hall est la fille du metteur en scène Peter Hall et de la chanteuse d'opéra Maria Ewing. Immergée dans l'universe artistique depuis son plus jeune âge, Rebecca Hall commence à faire des apparitions à la télévision dès 1992 dans The Camomile Lawn, un téléfilm réalisé par son père.
Sa carrière artistique débute véritablement en 2002 en apparaissant dans la pièce de théâtre, toujours mise en scène par son père, Mrs Warren's Profession, à Londres. Les critiques saluent sa performance et elle remporte le Charleson award (une distinction récompansant les acteurs de moins de trente ans). Depuis lors, elle apparaitra très régulièrement au théâtre.
En 2006, elle fait ses débuts au cinéma pour David Nicholls dans Starter for Ten. Puis, toujours la même année, elle est à l'affiche du Prestige de Christopher Nolan. En 2008, c'est au tout de Woody Allen de l'engager pour son film Vicky Cristina Barcelona. Elle reçoit une nomination au Golden Globe de la meilleure actrice pour ce film. Toujours en 2008, elle est dirigée par Ron Howard dans Frost/Nixon. En 2009, elle joue dans le portrait de Dorian Gray, une version réalisée par Ben Barnes. En 2010, c'est au tour de Ben Affleck de faire jouer la jeune actrice dans son film The Town.