Après une scolarité au Lycée Buffon, elle intègre l'ENS Fontenay-Saint-Cloud en 1999. Agrégée en lettres modernes, elle entre ensuite en 2003 à la Fémis dans la section scénario de film (18ème promotion). Elle y écrit le scénario de Belle Épine, projet cinématographique de fin d'études à la FEMIS, sous l'égide de ses deux tuteurs de projet : le réalisateur Lodge Kerrigan et l'ancien directeur de casting Stéphane Foenkinos qui ont accepté tous deux cet exercice.
Cette école du cinéma est pour elle, avant tout une source de rencontres déterminantes, tant auprès des intervenants (Philippe Grandrieux, Jean-Claude Brisseau), qu'auprès des élèves (Cyprien Vial, avec lequel elle coécrit un court métrage Dans le Rang, prix SACD à la Quinzaine des réalisateurs en 2006, et Teddy Lussi-Modeste, dont elle coécrit le premier long métrage).
Elle en sort en 2007 et commence dès cette date à écrire des scénarios pour des films professionnels. Depuis, Rebecca Zlotowski partage son temps entre l'écriture de films de fictions ou de documentaires et l'enseignement à l'université Lyon 2 Lumière au Département Cinéma.
En 2006, alors, scénariste, enseignante-chercheur à l'Université Lyon 2, elle est accueillie en résidence au Centre Pompidou dans le cadre du projet Lignes de Temps. Elle travaille alors sur Trois songes de Víctor Erice.
Le court-métrage Dans le rang, de Cyprien Vial, sorti en 2006 et dont elle a coécrit le scénario, a reçu le prix SACD du scénario lors de la Quinzaine des Réalisateurs du festival de Cannes 2006.
En 2007, elle réalise le clip de Fifty Sixty pour Alizée. Cette même année, elle est membre du jury du festival espagnol Cine Horizontes 2007 qui a lieu à Marseille.
En avril 2008 avec toujours la SACD, elle est l'invité des rendez-vous Auteur Studio : une leçon d'écriture qui permettent de mettre en lumière des auteurs contemporains.
Son premier long métrage en tant que réalisatrice, le film
Belle Épine, est présenté en compétition lors de la 49eSemaine de la critique du festival de Cannes 2010. Son projet de film a été sélectionné par la commission du Centre national du cinéma et de l'image animée pour bénéficier d'une aide au développement de long métrage en 2008 (montant : 24 000 euros). Quelques mois plus tard après sa sortie en salle, il obtient en janvier 2011 le Prix Louis-Delluc du meilleur premier film.
Après avoir vu le film à la compétition, Christophe Kantcheff de l'Hebdomadaire Politis, dans son article intitulé « Another Year » de M. Leigh ; « You Will Meet A Tall Dark Stranger » de Woody Allen ; « Belle épine » de R. Zlotowski publié le 16 mai 2010, a écrit : « Qu'il s'agisse du scénario ou de la mise en scène, la maîtrise dont fait preuve Rebecca Zlotowski est bluffante. Belle Épine donne une représentation d'adolescentes d'aujourd'hui plus ou moins en rupture (Prudence, mais aussi celles qu'interprètent Anaïs Demoustier et Agathe Schlencker) qui éclate de justesse. La cinéaste use aussi de la musique avec pertinence, ce qui est assez rare pour être souligné. Film âpre, direct, Belle Épine marque une belle naissance au cinéma. ». L'écrivain et journaliste Éric Neuhoff, lui, y voit une « caricature du cinéma français », rempli des clichés que l'on ne « supporte plus » et peuplé de personnages dont on ne comprend jamais les motivations, qu'ils fassent quelque chose ou qu'ils ne fassent rien.
Fort de ce premier long métrage, le cinéma de Rebecca Zlotowski se focalise sur des images denses, contrastées, électriques et une construction basée sur des moments, des sensations, des ambiances qui sont autant de miracles de justesse, de force, de sensibilité, bien que son film - trop long - souffre de nombreuses maladresses narratives, qu'il ne parvienne jamais à être émouvant et qu'il sombre souvent dans le maniérisme.
Elle poursuit sa collaboration avec Alizée en 2010 en co-écrivant le titre Grand Central sur Une enfant du siècle, le quatrième album studio de la chanteuse.