Nata da Thomas H. Cook (un assistente sociale e comico dilettante) e da JoAnn "Jo-Jo" Gianelli (cuoca di origine italo-americana), Rachael studiò alla Laurel Springs School di Minneapolis, ed in seguito alla Minneapolis South High School. All'età di 10 anni iniziò a lavorare come modella per fotoromanzi, e comparendo in annunci pubblicitari nelle riviste della Target Corporation di Minneapolis. La marca più importante pubblicizzata in questo periodo fu la nota marca di biscotti per cani Milk-Bone.
All'età di 14 anni Rachael iniziò a studiare recitazione, e la sua agenzia per modelle la inviò a comparire in una breve pellicola dal titolo 26 Summer Street nel 1996. Divenne famosa al pubblico americano come testimonial della campagna pubblicitaria contro il fumo patrocinata dalla Partnership for a Drug-Free America del 1998 dal titolo This is Your Brain on Drugs. Il successo della campagna segnò il suo lancio nel cinema nella pellicola del 1995 Il club delle baby sitter nel ruolo di una baby-sitter tredicenne e basato sulla serie di romanzi di Ann M. Martin.
I suoi due ruoli significativi furono nel film del 1999 Kiss me e nel film del 2001 Josie and the Pussycats. Successivamente Cook è apparsa in diverse pellicole indipendenti e nella miniserie televisiva Into the West della DreamWorks di Steven Spielberg. Nel 2000 è comparsa come modella per la copertina della rivista per uomini FHM, per il numero di marzo/aprile. Nel 2002 è stata quotata al 26º posto nella classifica delle 102 donne più sexy del mondo dal magazine per uomini Stuff.
Nel 2004 si sposa con l'attore Daniel Gillies. Il 29 settembre 2013 diventano genitori di una bambina, Charlotte Easton Gillies.[1] Nell'aprile 2015 nasce il secondo figlio, Theodore Vigo Sullivan Gillies.[2] Nel giugno del 2019 Rachael e Daniel annunciano la separazione.[3]
Nelle versioni in italiano delle opere in cui ha recitato, Rachael Leigh Cook è stata doppiata da:
Perla Liberatori in A spasso col rapinatore, College femminile, The Lodger - Il pensionante, Natale tra i monti Blue Ridge, Criminal Minds, Un'estate molto speciale, Un autunno molto speciale, In tempo per Natale
Rossella Acerbo in Il club delle baby sitter, S.Y.N.A.P.S.E. - Pericolo in rete (ridoppiaggio)
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