Navštěvovala Tisch School of the Arts na New York University, kde Rachel Brosnahan získala bakalářský titul v oboru divadelní umění.
V televizi Rachel Brosnahan debutovala v roce 2010 v seriálu Gossip Girl a od té doby se objevila v několika dalších televizních pořadech a filmech. V roce 2013 získala cenu Theatre World Award za svůj výkon v mimobroadwayské hře The Big Knife.
Mimo to si Rachel Brosnahan zahrála vedlejší roli v netflixovém thrillerovém seriálu Dům z karet, za niž byla nominována na cenu Emmy. Ztvárnila klíčovou postavu v seriálu stanice WGN Manhattan.
Na filmovém plátně se Rachel Brosnahan poprvé objevila ve filmu Nenarození (2009), následně si zahrála ve snímcích Nádherné bytosti (2013), Hlasitější než bomby (2015), Do posledního dechu (2016) a Den patriotů (2016).
Proslavila se rolí Miriam „Midge“ Maisel v komediálním seriálu Úžasná paní Maiselová (The Marvelous Mrs. Maisel), ve kterém dostala roku 2017 hlavní roli. Za svůj výkon Rachel Brosnahan získala cenu Emmy, dva Zlaté glóby a na třetí byla nominována.
Na dramatu Jsem tvá žena (2020), kde si opět střihla hlavní roli, si Rachel Brosnahan prvně vyzkoušela i práci producentky.
Je zastánkyní několika charitativních organizací, včetně Covenant House, The Trevor Project a Alzheimer's Association. Ve volném čase se Rachel Brosnahan věnuje turistice, cvičení jógy a poslechu podcastů.
V roce 2016 se Rachel Brosnahan provdala za herce Jasona Ralpha.