Née à Augusta, une petite ville de Nouvelle-Angleterre, Rachel Nichols se fait tout d’abord repérer par un chercheur de talents alors qu’elle étudie à la Columbia University. Elle devient donc mannequin pour plusieurs célèbres marques de mode, tout en continuant à préparer son diplôme d’économie et de psychologie.

Après avoir participé à plusieurs émissions spéciales de la chaîne MTV en tant qu'animatrice, elle finit par décrocher un rôle important dans la série Sex & the City. Sa carrière cinématographique commence en 2000 avec un petit rôle dans Un Automne à New York, aux côtés de Richard Gere.

En 2003, elle obtient son premier rôle majeur en partageant la vedette de la comédie Dumb & dumberer : quand Harry rencontra Lloyd. Elle se fait connaître par le grand public deux années plus tard, grâce à son rôle dans la cinquième et ultime saison de la série Alias, où elle apparaît dans les dix-sept épisodes.

En 2007, elle donne la réplique à de prestigieux acteurs hollywoodiens tels que Tom Hanks, Philip Seymour Hoffman et Julia Roberts dans le film politique La Guerre selon Charlie Wilson. Elle incarne ensuite une journaliste ambitieuse dans le milieu de la boxe avec Renaissance d'un champion, où elle partage l'affiche avec Josh Hartnett et Samuel L. Jackson. En 2009, elle découvre le film d'action sous les traits du personnage de Scarlett, membre d'une équipe d'élite dans G.I. Joe - Le réveil du Cobra, aux côtés de Channing Tatum et de Sienna Miller. L'année suivante, elle poursuit dans un registre similaire et interprète Tamara, l’alliée du prodigieux Conan, dans le remake de Marcus Nispel. En 2012, l'actrice s'essaie au thriller avec le film Alex Cross, dans lequel elle incarne un officier de police.