Fille de Peter Hall, metteur en scène, et de Maria Ewing, chanteuse d'opéra, Rebecca Hall évolue dès son plus jeune âge dans l'univers artistique. Après avoir suivi des cours à la Roedean School, la jeune Londonienne fait ses premiers pas de comédienne au théâtre dans la production de son père Mrs Warren's Profession, au Strand Theatre de Londres. Sa performance remarquée lui vaut un Charleson Award, et lui ouvre les portes du cinéma. Après quelques apparitions dans des séries et des téléfilms, elle décroche son premier rôle sur grand écran en 2006 dans la comédie Starter for Ten de Tom Vaughan.
Sa carrière est lancée. Elle s'affiche alors dans des productions d'ampleur, notamment Le Prestige (2006), devant la caméra de Christopher Nolan, où elle a pour partenaires Hugh Jackman et Christian Bale. Mais sa notoriété décolle grâce à Woody Allen qui en fait sa Vicky dans Vicky Cristina Barcelona (2008), jeune touriste américaine troublée par un peintre espagnol (Javier Bardem) dont elle se dispute les faveurs avec Scarlett Johansson et Penélope Cruz. Sa prestation lui vaut une nomination au Golden Globe de la meilleure actrice. La même année, elle interprète la compagne du présentateur télé David Frost (Michael Sheen) dans le face-à-face fictif Frost / Nixon, l'heure de vérité (id.) de Ron Howard.
Après The Red Riding Trilogy où Andrew Garfield mène l'enquête sur une série de kidnappings, elle participe à une relecture du classique d'Oscar Wilde, Le Portrait de Dorian Gray. En 2010, elle interprète une directrice de banque tombée sous le charme du braqueur qui l'a traumatisée, et dont elle ignore l'identité, dans le deuxième film de Ben Affleck, The Town.
Après avoir été confrontée aux apparitions du spectre d'un enfant dans La Maison des Ombres, la jeune Anglaise privilégie le divertissement grand public : parieuse douée dans Lady Vegas - Les Mémoires d'une joueuse de Stephen Frears, elle rejoint le casting du blockbuster Iron Man 3 porté par Robert Downey Jr.. La comédienne revient en parallèle à la télévision au cœur d'un triangle amoureux dans la série Parade's End, avec Benedict Cumberbatch et Adelaide Clemens.
En 2014, elle fait un grand écran entre l'intimiste Une Promesse de Patrice Leconte, adapté d'une nouvelle de Stefan Zweig, et le spectaculaire Transcendance, qui est un échec cuisant. Elle réitère en 2016 avec le familial Le BGG – Le Bon Gros Géant de Steven Spielberg et le biopic Christine, qui revient sur le tragique destin de la journaliste Christine Chubbuck. Toujours dans le genre biographique, elle est en 2018 à l'affiche de My Wonder Women, consacré au triangle amoureux entre William Moulton Marston, son épouse et leur partenaire Olive Byrne. Ces deux dernières inspirèrent au premier la création du personnage de Wonder Woman.
Elle retrouve en 2019 Woody Allen le temps d'Un jour de pluie à New York puis est au générique de la série de SF Tales from the Loop sur Prime Video. Toujours aussi versatile, elle est en 2021 une épouse en deuil dans le film de fantômes La Proie d'une ombre, avant de se retrouver confrontée au combat homérique que se livrent Godzilla et King Kong. Mais cette année est surtout marquée par son passage à la réalisation. Inspirée par son grand-père Afro-Américain, elle met en scène dans Clair-Obscur deux femmes noires, dont l'une d'entre elles se fait passer pour blanche dans le New York des années 20. Distribué par Netflix, le long-métrage est nommé aux BAFTA et aux Golden Globes.
Désormais actrice et réalisatrice accomplies, Rebecca Hall est choisie en 2022 pour être membre du jury du 75ème Festival de Cannes, présidé par Vincent Lindon.