Rachel Hannah Weisz nasce a Londra, figlia di una psicanalista e un inventore. Il padre George è un immigrato ebreo ungherese, la madre Edith Ruth Teich è un'austriaca, che ha lasciato Vienna prima dello scoppio della Seconda Guerra Mondiale. A 14 anni la futura attrice, già bellissima, sfila già come modella. La passione per la recitazione inizia all'epoca in cui frequenta l'università di Cambridge, dove è cofondatrice della compagnia teatrale studentesca Talking Tongues. Nel 1991 vince un Guardian Student Drama Award al Fringe Festival di Edimburgo per una pièce improvvisata intitolata Slight Possession. L'esordio cinematografico avviene dopo una serie di partecipazioni televisive nei primi anni Novanta in Death Machine, del 1994. Ma il primo film importante è Io ballo da sola di Bernardo Bertolucci (1996) dove ha il ruolo di Miranda Fox. Tre anni dopo interpreta il suo primo blockbuster, La mummia. Tra i suoi titoli degni di nota nei primi anni Duemila ricordiamo il sequel La mummia - Il ritorno, che supera il successo del primo, i due film europei Il nemico alle porte di Jean-Jacques Annaud e About A Boy e l'americano La Giuria, tratto da John Grisham, con John Cusack e Gene Hackman.
Dopo l'incursione horror-fumettistica di Constantine, nel 2005, ottiene i primi premi internazionali (Oscar come miglior non protagonista, Golden Globe e Sag Award) per The Constant Gardener di Fernando Meirelles, dal thriller di John LeCarré, dove è l'attivista Tessa Quayle, sposata al funzionario dell'ambasciata britannica interpretato da Ralph Fiennes. Appare poi nel poco apprezzato L'albero della vita di Darren Aronofsky (suo compagno dal 2001 e padre di suo figlio Henry Chance nel 2006), in Un bacio romantico di Wong Kar-Wai, nel family movie natalizio Fred Claus e in Amabili resti di Peter Jackson dal bestseller di Alice Sebold, nel ruolo della madre della ragazzina uccisa. Nel 2009 è protagonista del secondo film di Rian Johnson, The Brothers Bloom ed è Ipazia in Agora di Alejandro Amenabar. Nel 2010 vince il prestigioso Olivier Award per il ruolo di Blanche DuBois in un allestimento di Un tram che si chiama desiderio. Affianca Daniel Craig in Dream House di Jim Sheridan e nel 2011 lo sposa in una cerimonia privata a New York. Nel 2012 interpreta The Bourne Legacy e nel 2013 è Evanora in Il grande e potente Oz. Prossimamente la vedremo nel film del regista greco Yorgos Lanthimos The Lobster e in Youth - La giovinezza di Paolo Sorrentino. Ha anche interpretato The Light Between Oceans di Derek Cianfrance con Michael Fassbender. Nel 2013 ha diviso la scena di Broadway col marito Daniel Craig nella pièce Betrayal.