Après des cours à l'Actors Studio, elle décroche son premier rôle dans Coup de coeur de Francis Ford Coppola en 1982.
L'année suivante, elle joue aux côtés de Tom Cruise dans Risky Business, rapidement suivi du Dernier testament et de Trip to Bountiful. Mais sa carrière patine rapidement et manque d'être brisée en 1987 par l'échec critique et commercial du remake de Et Dieu... créa la femme que dirige Roger Vadim lui-même.
Elle revient progressivement grâce à des films comme
Backdraft avec Kurt Russell et Robert De Niro ou des mini-séries télévisées comme Une femme encombrante.
En 1992, c'est le retour en grâce quand la Main sur le berceau cartonne au box-office. Elle impressionne dans son rôle de baby-sitter diabolique. L'actrice est reçue à Deauville et décroche parallèlement le Prix d'interprétation au Festival du film policier de Cognac.
En 1993, elle enchaîne Angle mort, l'Avocat du diable (présenté encore à Deauville) et
Les Trois Mousquetaires (The Three Musketeers) dans lequel elle interprète Milady de Winter.
Elle signe la réalisation d'un épisode de la série Au-delà du réel en 1994 et partage la vedette de Excès de confiance en 1995 avec Antonio Banderas.
Plus discrète ensuite, elle préfère les petites productions (The Winner, The Con,...) et multiplie les téléfilms, généralement salués par la critique.
Depuis 2003, Rebecca De Mornay est réapparue plusieurs fois au cinéma, notamment en guest star dans Identity et Serial noceurs. En 2005, on la retrouve dans Raise Your Voice et les Seigneurs de Dogtown. En 2007, elle domine le casting de la série John from Cincinnati.