Bevor Rachael Leigh Cook als Schauspielerin durchstartet, steht sie als Model vor der Kamera. Im Alter von gerade einmal zehn Jahren ist sie in einer Anti-Drogen-Kampagne zu sehen. Immer wieder bekommt Rachael von ihrer Agentur Drehbücher zugeschickt und fasst schließlich den Entschluss eine Filmkarriere zu startet. Nach diversen kleineren Rollen ergattert sie 1997 eine etwas größere Rolle in dem Film "Wer hat Angst vor Jackie-O?", wo sie erstmals an der Seite von Freddie Prinze jr. vor der Kamera steht. Bevor die beiden Schauspieler zum Leinwandtraumpaar werden, macht Rachel 1998 ihren Highschool-Abschluss.
Nach diversen Auftritten in Nebenrollen in "Strike – Mädchen an die Macht!" oder der Serie "Dawson's Creek" schafft Rachael Leigh Cook 1999 mit "Eine wie keine" ihren internationalen Durchbruch als Schauspielerin. In dem Film mutiert sie vom hässlichen Entlein zum schönen Schwan und kommt mit dem Mädchenschwarm der Schule, gespielt von Freddie Prinze jr., zusammen. Fortan gelten sie als Traumpaar in der Kinowelt.
Doch ihre Durchbruchrolle hat auch seine Schattenseite: So bleibt die Rolle des süßen Mädchens von nebenan an ihr haften. Doch dagegen will Rachael Leigh Cook etwas tun und so versucht die Schauspielerin vermehrt Rollen mit dunklen Geheimnissen zu ergattern. Erstmals stellt Rachael ihre Wandelbarkeit in dem Thriller "Startup" unter Beweis. An der Seite von Ryan Phillippe spielt sie die hinterhältige Grafikdesignerin "Lisa", die einen Plan hochgehen lässt. Nach diversen Auftritten in Serien, die auf ihren Steckbrief zu finden sind, darunter "Las Vegas" und "Ghost Whisperer", übernimmt sie 2012 eine Hauptrolle in der US-Serie "Perception".