Rapace empezó su carrera como actriz a la edad de siete años, en la producción islandesa "In the Shadow of the Raven". Desde entonces, ha aparecido en más de 20 películas y series de televisión. En 2007, se dio a conocer en la gran pantalla gracias a su interpretación en la cinta danesa "Daisy Diamond". En ella, interpreta a una madre adolescente con problemas, que abandona su hogar en pos de un sueño, aunque acaba fracasando y sufriendo una crisis nerviosa con fatales consecuencias. Rapace recibió por su labor el premio Bodil (premio de la crítica danesa) y un premio Robert (premio de la academia danesa) a la "Mejor actriz".

Rapace cosechó grandes elogios en todo el mundo por su interpretación en "Millennium 1: Los hombres que no amaban a las mujeres", primera entrega de la trilogía Millennium, que se estrenó en febrero de 2009 en Suecia. Ganó el premio Guldbagge (premio de la academia sueca) a la "Mejor actriz" y el premio Jupiter (Alemania) a la "Mejor actriz internacional", además de ser candidata a un premio Orange de la academia británica a la "Mejor actriz principal" y un Premio del Cine Europeo a la "Mejor actriz" por ese papel. Rapace siguió recibiendo posteriormente elogios por sus interpretaciones en la segunda y tercera entregas de la trilogía, "Millennium 2: La chica que soñaba con una cerilla y un bidón de gasolina" y "Millennium 3: La reina en el palacio de las corrientes de aire".

Entre sus restantes créditos, también figura la ópera prima de Pernilla August como directora, "Beyond", que realizó en Suecia. El filme pasó por la edición de 2010 del Festival de Cine de Venecia y ganó el premio de la Semana de la Crítica de Venecia, así como el Premio de Cine del Consejo Nórdico de 2011. La película, basada en la novela de gran éxito de ventas, cuenta una conmovedora historia sobre la dramática infancia de una joven, que se cría en un hogar lleno de alcoholismo y abusos. Rapace fue candidata a un premio Guldbagge a la "Mejor actriz" en 2011 en Suecia por su interpretación.

Tras "Beyond", se pudo ver a Rapace en el thriller noruego de Pal Sletaune "Babycall", sobre una joven madre que cree haber oído por casualidad un asesinato. Rapace recibió por su interpretación el premio a la "Mejor actriz" en el Festival de Cine de Roma de 2011.

En 2011, Rapace protagonizó frente a Robert Downey Jr. y Jude Law la secuela de Guy Ritchie "Sherlock Holmes: Juego de sombras", en la que interpretaba a una pitonisa gitana que ve más de lo cuenta a Holmes y Watson.

En el verano de 2012, Rapace protagonizó la cinta de ciencia ficción de Ridley Scott "Prometheus", en la que interpretaba a la arqueóloga Elizabeth Shaw, frente a Charlize Theron, Idris Elba, Guy Pearce y Michael Fassbender. Este thriller de ciencia ficción sigue a la tripulación de la nave espacial "Prometheus", en su misión de explorar restos arqueológicos de una civilización avanzada y los orígenes de la humanidad.

Rapace también tiene un papel principal frente a Rachel McAdams en la cinta de Brian De Palma "Passion", en la que interpreta a una ambiciosa ejecutiva publicitaria que planea vengarse de su jefa y mentora, después de que esta se apropie de su idea...