Родилась в семье офицера торгового флота Кришнараджа Рая и писательницы Вринды Рай, есть старший брат. Родной язык Айшварии — тулу, также владеет английским, хинди, маратхи и тамильским языками. В детстве училась классической музыке и танцам. В раннем возрасте с семьёй переехала в Бомбей, где посещала Arya Vidya Mandir high school в пригороде Сантакруз. После окончания колледжа Ruparel College (до него год проучилась в Jai Hind College) поступила в университет, где начала изучать архитектуру, но затем стала моделью. В 1994 году победила на конкурсе «Мисс Мира». После участвовала в рекламной компании Pepsi, снималась для журнала Vogue Magazine.
Первой ролью в кино Айшварии Рай был фильм «Iruvar» 1997 года. Критики встретили его достаточно прохладно, однако после последовал успех за роль в фильме «…Aur Paar Ho Gaya» («Влюбленный самозванец»). Айшварию наградили премией как лучшую дебютантку. В 2000 году она удостоилась премии Filmfare Award за лучшую женскую роль в фильме «Навеки твоя». В 2001 номинировалась как лучшая актриса за роль в фильме Сатиша Каушика «Hamara Dil Aapke Paas Hai» («Любовь в награду»).

В 2002 году снялась в одном из самых успешных болливудских фильмов — «Девдас». В 2003 году Айшвария была членом жюри Каннского кинофестиваля. Тогда же Айшвария заключила рекламный контракт с L'Oreal, участвовала в рекламных компаниях Coca-Cola и De Beers. Айшвария Рай — первая индийская женщина, чья восковая фигура представлена музее мадам Тюссо.
Благодаря знанию языков Айшвария участвовала в фильмах, снятых на бенгальском, тамильском, английском языках.
На протяжении нескольких лет встречалась с Салманом Ханом. После они расстались. Спустя некоторое время встречалась с актёром Вивеком Обероем. 14 января 2007 объявила о помолвке с актёром Абишеком Баччаном, сыном Амитабха Баччана, и 20 апреля того же года вышла за него замуж. 16 ноября 2011 года Айшвария Рай в одной из клиник Мумбаи родила дочь. Девочку назвали Аарадхья Баччан