Ксения Раппопорт родилась 25 марта 1974 года в Ленинграде. Мать — инженер, отец — архитектор.
Училась в ленинградской гимназии № 155 с углублённым изучением французского языка, занималась музыкой и спортом, а в старших классах увлекалась кукольным театром.
В 1991 году, окончив среднюю школу, поступила в Санкт-Петербургскую государственную академию театрального искусства (СПбГАТИ), на курс актёрского мастерства Вениамина Михайловича Фильштинского. Четыре раза бросала учёбу, сомневаясь в своём призвании. В 2000 году окончила СПбГАТИ и была приглашена в стажёрскую группу Санкт-Петербургского Малого драматического театра. Дебютом Ксении в этом театре стала роль Нины Заречной в спектакле «Чайка» по одноимённой пьесе А. П. Чехова, поставленном режиссёром Львом Додиным в 2001 году. Актриса также играет девушку в «Клаустрофобии» (МДТ), Елену Андреевну в «Дяде Ване» (премия «Золотой софит» 2003 года за лучшую женскую роль) и Софью в «Пьесе без названия» в постановке Льва Додина в МДТ, Иокасту в спектакле «Царь Эдип», Беатриче в «Слуге двух господ» и Исмену в «Антигоне» в Государственном драматическом Театре на Литейном.
Дебютировала в кино в возрасте шестнадцати лет в эпизодической роли в художественном фильме «Изыди!» (1991), съёмки в котором повлияли на решение Ксении стать актрисой. В этом же году снялась в фильме «Русская невеста». Затем были роли Кшесинской в «Николае II» (1995, Германия), Лины в «Прокофьеве» (1995, Германия), Марии в «Анне Карениной» (1997, США), Елены в «Цветах календулы» (1998), Натуси в «Плачу вперёд!» (1999). Актриса снималась в сериалах «Бандитский Петербург. Фильм 3. Крах Антибиотика» (2001), «По имени Барон» (2002), «Нож в облаках» (2002), «Гибель империи» (2005), «Ликвидация» (2007) и фильмах «Невестка» (2003), «Всадник по имени Смерть» (2004).
В 2006 году актриса сыграла главную роль в художественном фильме итальянского режиссёра Джузеппе Торнаторе «Незнакомка» («La Sconosciuta»), за которую в 2007 году была удостоена премии «Давид ди Донателло» Итальянской академии кинематографии в категории «Лучшая женская роль».
В 2009 году в шпионском телесериале «Исаев» Сергея Урсуляка актриса пронзительно исполнила роль ресторанной певицы Лидии Боссэ — агента российской разведки, искусительницы юного Штирлица.
В 2013 году вошла в состав жюри программы «Горизонты» («Orizzonti») 70-го Венецианского кинофестиваля, в рамках которой оцениваются игровые и документальные фильмы, представляющие новые тенденции в развитии кинематографа.
2019 год — снимается вместе с Константином Хабенским и Сергеем Гармашем в триллере «В раю правды нет». Сюжет новой картины, состоящей из 15 диалогов, — рассказ о любви, предательстве и лжи. Сценарий к фильму напишет Александр Цыпкин - автор супербестселлера «Женщины непреклонного возраста».
Ксения Раппопорт является главой попечительского совета благотворительного фонда «Дети Б. Э. Л. А. Дети-бабочки», занимающегося всесторонней помощью детям с редким генетическим заболеванием — буллёзным эпидермолизом (БЭ). Таких детей называют «бабочками», метафорично сравнивая их чувствительную кожу с крылом бабочки.