Nativa dello stato del Karnataka, si è fatta notare fin da giovane per la sua avvenenza diventando testimonial della bibita Pepsi. Inizialmente Aishwarya aveva in progetto di diventare architetto, ed effettivamente cominciò a studiare architettura, ma in seguito abbandonò gli studi per proseguire la sua carriera di modella.

Dopo aver vinto il concorso di Miss Mondo 1994, ha intrapreso la carriera cinematografica. Il suo esordio è avvenuto con il film in lingua tamil Iruvar nel 1997. L'anno dopo ha raggiunto il suo primo successo commerciale con Jeans, che l'ha fatta notare dall'industria cinematografica di Bollywood.

Nel 1999 ha recitato nel musical Hum Dil De Chuke Sanam. Successivamente ha interpretato diverse pellicole ottenendo critiche sempre più positive e premi cinematografici, fino a diventare una star internazionale.

Rai è stata componente della giuria al 56° Festival di Cannes. Nel 2008 è passata alla produzione con la pellicola Bhopal Movie, che l'ha vista anche come interprete.

Il 20 aprile 2007 ha sposato l'attore Abhishek Bachchan. Il 16 novembre 2011 hanno avuto una figlia, Aaradhya.