Актерская карьера началась, когда Рэйчел было 14 лет: она снялась в комедии «Клуб нянек». Из ранних работ Ли Кук стоит отметить телефильм «Настоящая женщина» и ленты «Дом, где говорят «Да» и «Восемнадцатый ангел» (1998).
В 1998 году вышла коммерчески успешная романтическая комедия «Это всё она», где Рэйчел Ли Кук сыграла главную роль вместе с Фредди Принцем-младшим. Кассовые сборы картины составили 103 миллиона долларов, а гонорар молодой актрисы — 4,5 миллиона. Ли Кук изобразила застенчивую «ботаничку», на которую обратил внимание школьная звезда. Впрочем, изначально намерения парня были найти на спор самую неприглядную девушку в классе и сделать из неё королеву бала, однако в итоге герой влюбляется в свою избранницу.
Затем Рэйчел Ли Кук играла в британской мелодраме «Английский цирюльник» (2000) с Джошем Хартнеттом, боевике «Убрать Картера» (2000) с Сильвестром Сталлоне. В том же году актриса впервые попала на обложку журнала FHM. Спустя два года издание Stuff включило Рэйчел в список «102 самые сексуальные девушки планеты» (26-е место).
В 2001 году состоялась премьера высокобюджетной музыкальной комедии «Джози и кошечки», где Ли Кук досталась основная роль вместе с Тарой Рид и Розарио Доусон. Однако лента с треском провалилась в прокате, заработав всего 15 миллионов долларов при 40-миллионом бюджете.
В 2003 году на экраны вышла криминальная драма «11:14», где Рэйчел также сыграла главную роль. Картина не попала в широкий прокат, но получила отличные оценки профессиональной прессы и неплохо разошлась на видеоносителях.
Во второй половине «нулевых» актриса по большей части снималась в сериалах. Она работала на съёмочной площадке сериалов «На Запад», «Бухта Доусона», «Лас-Вегас», «Говорящая с призраками», «Ясновидец» и нескольких других, чуть менее известных.
«На Запад» — особо выделяется из этого списка. Это шестисерийная драма на девять часов об истории индейцев лакота и семьи американцев. Бюджет проекта составил внушительные 50 миллионов долларов, а показан мини-сериал был на кабельном канале TNT в 2005 году, и получил одобрение зрителей, а также номинацию на «Золотой глобус» как лучший мини-сериал.
Из более поздних работ Рэйчел Ли Кук можно выделить, например, подростковый детектив «Нэнси Дрю», комедию «Блондинка с амбициями» с Джессикой Симпсон и японский триллер «Жилец».
Рэйчел Ли Кук озвучила множество персонажей в различных мультфильмах и видеоиграх. Её голосом говорили герои в «Робоцыпе», а также в анимационных картинах «Бэтмэн будущего», «Возвращение Джокера» и в играх "Kingdom Hearts II", "Dirge of Cerberus: Final Fantasy VII", "Yakuza" и "Dissidia 012 Final Fantasy".
Что касается личной жизни актрисы, то с 2004 года она состоит в браке канадским актёром Дэниелем Гиллисом.