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 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 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 2008 году удостоилась чести вести церемонии открытия и закрытия 65-го Венецианского кинофестиваля. За роль Любови Павловны в драме «Юрьев день» (2008) режиссёра Кирилла Серебренникова была награждена призом за лучшую женскую роль Открытого российского кинофестиваля «Кинотавр». За эту роль актриса также получила приз «Белый слон» за лучшую женскую роль 2008 года от Гильдии киноведов и кинокритиков России.
В 2009 году на церемонии вручения российской кинопремии «Золотой орёл» стала лауреатом в двух номинациях: «Лучшая женская роль в кино» (за роль в фильме «Юрьев день») и «Лучшая женская роль на телевидении» (за роль в телесериале «Ликвидация» режиссёра Сергея Урсуляка). В телесериале «Исаев» Сергея Урсуляка актриса исполнила роль ресторанной певицы Лидии Боссэ — агента российской разведки, искусительницы юного Штирлица. 26 мая 2009 года «за выдающуюся гражданскую деятельность» Ксения Раппопорт удостоена римской премии «Симпатия» («Premio Simpatia — 2009»), учреждённой в 1971 году итальянским журналистом и знатоком римской истории Доменико Пертика (Domenico Pertica). В зале «Протомотека» («Protomoteca») Капитолийского дворца в Риме на XXXIX торжественной церемонии награждения лауреатов премии актрисе вручена статуэтка «Бронзовая роза» («Rosa» in bronzo) работы итальянского скульптора Ассена Пеикова (Assen Peikov).
Ксения Раппопорт и Филиппо Тими на 66-м Венецианском кинофестивале, 10 сентября 2009 года.
12 сентября 2009 года за роль Сони в итальянском художественном фильме «Двойное время» («La doppia ora») режиссёра Джузеппе Капотонди удостоена приза «Кубок Вольпи» за лучшую женскую роль 66-го Венецианского кинофестиваля.
11 декабря 2009 года Раппопорт «за заслуги в области искусства» присвоено почётное звание «Заслуженный артист Российской Федерации».
В 2011 году снялась в телесериале Сергея Снежкина «Белая гвардия» и в фильме Жозе Дайан «Распутин».
27 января 2012 года за роль Марии Ильиничны в мелодраме «Два дня» (2011) режиссёра Авдотьи Смирновой стала лауреатом российской кинопремии «Золотой орёл» в номинации «Лучшая женская роль в кино». 27 июня на 58-м Международном кинофестивале в Таормине (Сицилия, Италия), Ксении Раппопорт вручена специальная премия «Золотой лев», учреждённая провинцией Мессина, за роль в художественном фильме «Юрьев день» (2008) режиссёра Кирилла Серебренникова.
29 июня 2013 года на 35-м Московском международном кинофестивале награждена специальным призом «За покорение вершин актёрского мастерства и верность принципам школы К. С. Станиславского». На церемонии закрытия фестиваля, проходившей в Театре «Россия», награду актрисе вручил кинооператор Вадим Юсов. В июле 2013 года 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. В номинации «Мастерство актёра» (лучшая женская роль) удостоена премии Станиславского (театральный сезон 2012—2013) на Международном театральном фестивале «Сезон Станиславского» — за роль Леди Мильфорд в спектакле «Коварство и любовь» в постановке Льва Додина (МДТ — Театр Европы).
31 января 2014 года стала лауреатом Санкт-Петербургской независимой актёрской премии имени Владислава Стржельчика в номинации «Актёр театра и кино». Получая награду, Ксения заявила: «Да простят меня все мои другие награды, но эта для меня — самая ценная». В мае 2014 года удостоена премии «Топ-50. Самые знаменитые люди Петербурга» в номинации «Театр» за активную работу в попечительском совете благотворительного фонда «Дети Б. Э. Л. А. Дети-бабочки» и роль Раневской в «Вишнёвом саде» Льва Додина. 7 сентября на 12 фестивале отечественного кино «Московская премьера» была награждена призом имени Натальи Гундаревой за лучшую женскую роль (фильм «Зимы не будет» режиссёра Ильи Демичева).
20 марта 2015 года награждена профессиональным призом российской Ассоциации продюсеров кино и телевидения в области телевизионного кино как «Лучшая актриса телефильма/сериала» за роль Ольги в сериале «Ладога». 4 апреля «за большие заслуги в области театрального, кинематографического и музыкального искусства» Ксении Раппопорт присвоено почётное звание «Народный артист Российской Федерации».
17 мая 2017 года награждена призом за лучшую женскую роль на XXV всероссийском кинофестивале «Виват, кино России!» в Санкт-Петербурге за роль в художественном фильме Павла Лунгина «Дама пик» (2016).