Fille de Peter Hall, metteur en scène et de Maria Ewing, chanteuse d'opéra (qui divorcent lorsqu'elle a cinq ans), Rebecca Hall nage rapidement dans l'univers artistique. Elle rentre dans la Roedean School, une école privée pour fille dans le Sussex. Elle a une soeur Emma, et un demi-frère, Edward.
Elle débute sa carrière professionnelle en 2002 au théâtre dans le rôle de Vivie dans la production de son père Mrs Warren's Profession au Strand Theatre de Londres. Sa performance est remarquée et elle gagne le Charleson award. Elle joue ensuite dans plusieurs pièces comme As You Like It et The Fight For Barbara. En 2006, elle débute une carrière au cinéma dans l'adaptation du roman de David Nicholls Starter for Ten. Elle enchaîne dans le film de Christopher Nolan
Le Prestige. En 2008, elle joue une touriste américaine troublée par un peintre espagnol (Javier Bardem) dans le film de Woody Allen Vicky Cristina Barcelona. La même année, on peut la voir dans le film de Ron Howard Frost/Nixon où elle joue le rôle de la petite amie de
David Frost.
En 2010, elle est à l'affiche de deux films : la comédie dramatique La Beauté du geste, au côté de Catherine Keener, Oliver Platt et Amanda Peet, suivi du thriller The Town, dans lequel elle incarne une directrice de banque traumatisée par un braquage et tombe sous le charme d'un homme (incarné par Ben Affleck), sans savoir qu'il est l'un des braqueurs.