Née à Melbourne de parents libertaires, Radha Mitchell commence sa carrière à la télévision, notamment dans la série à succès Neighbours, avant de suivre des études de psychologie et de cinéma. Elle accède à la notoriété en 1998 avec High Art, film indépendant très remarqué dans lequel elle incarne une ambitieuse journaliste qui tombe amoureuse de sa voisine. Désormais installée à Los Angeles, la comédienne aux goûts éclectiques alterne premiers rôles dans des productions indépendantes (Pitch Black) et seconds rôles dans des blockbusters (Phone Game). Après s'être essayée à la réalisation avec le court-métrage Four Reasons en 2002, elle donne la réplique à Denzel Washington dans Man on Fire et à Johnny Depp dans Neverland.

En 2004, Woody Allen lui offre le (double) rôle-titre de Melinda et Melinda, un film qui, en mêlant comédie et drame, lui permet de montrer l'étendue de son répertoire. Elle enchaîne avec Silent Hill, adaptation du célèbre jeu vidéo par Christophe Gans. Depuis, elle obtient des rôles importants dans les films Solitaire, Festin d'amour, Les Orphelins de Huang Shui et Comme un voleur. En 2009, elle est l'équipière de Bruce Willis dans le thriller d'anticipation Clones. Rhada Mitchell est végétarienne et pratique le yoga.