Haar vader was een Baptisten-predikant uit Wales, waar Rachel Roberts ook werd geboren, meerbepaald in Llanelli. Ze studeerde aan de Universiteit van Wales. Nadat ze in 1951 haar eerste acteerervaring had opgedaan in de toneelwereld volgde in 1952 een aantal kleine filmrollen. Van 1954 tot 1956 was Roberts verbonden aan het Old Vic. De filmrollen werden belangrijker en groter, bijvoorbeeld die als getrouwde maîtresse van Albert Finney in Saturday Night and Sunday Morning. Voor haar rol als weduwe in de Britse film This Sporting Life met Richard Harris als rugbyspeler werd ze genomineerd voor een Oscar. Hierna werd ze meermaals gecast als hoerige, sensuele huisvrouw.
Ze beperkte zich echter niet tot langspeelfilms en bleef ook actief op de toneelplanken. Zo kreeg ze veel lof voor haar rol van levendige hoer uit Liverpool in Maggie May, een musical van Lionel Bart. Maar Rachel Roberts was ook regelmatig te zien op de Amerikaanse televisie. Zo was ze van 1976 tot 1978 te zien als de huishoudster Mevrouw McClellan in de Tony Randall Show.

Ondanks het feit dat Roberts In de jaren ’70 nadat ze in Los Angeles ging wonen verschillende contracten afsloot, volgden er nog maar weinig echt goede rollen.

Roberts won meerdere prijzen aan de Royal Academy of Dramatic Art.

Ze was getrouwd met de acteurs Alan Dobie (1955-1961) en Rex Harrison (1962-1971).

Toen ze overleed aan een vergiftiging door barbituraten werd die gekwalificeerd als zelfmoord.