A l'âge de 10 ans, Rachael Leigh Cook commence une carrière de mannequin. Elle figure alors sur des dizaines de publicités notamment pour les grands magasins Target Stores et les biscuits pour chiens Milkbone. Elle fait ses premières expériences cinématographiques à l'âge de 16 ans dans les comédies familiales, Le Club des baby-sitters et Tom et Huck. Ses qualités de comédienne et son visage d'ange lui permettent vite d'obtenir des rôles plus importants à l'image de Le Dix-huitième ange ou Strike!, film culte chez les adolescentes américaines.

En 1998, elle obtient son plus gros succès avec Elle est trop bien dans lequel elle campe une adolescente timide. Elle prend alors le public à contre-pied avec La Mémoire volée et Get Carter, à la tonalité sombre. Elle obtient par la suite les rôles principaux de Josie and the Pussycats et Sex trouble. Actrice en vogue, elle a tourné six films en 2001 et cinq, en 2002.