Jessica Howard grandit dans le nord de la Californie. A l’âge de 9 ans, elle découvre la danse et rejoint une troupe jusqu'à ses 13 ans. Par la suite, elle prend le nom de jeune fille de sa mère et se lance dans le théâtre. Après le lycée, elle entre à la Juilliard School, grande école d’art dramatique de New York. Ses premiers pas de comédienne se font donc sur les planches où elle incarne entre autres, Desdemona, dans la pièce de William Shakespeare, Othello.

La jeune comédienne en herbe fait également ses classes à la télévision avec de petits rôles dans Urgences, Veronica Mars ou encore New York Cour de Justice. En 2007, le cinéma lui tend les bras et elle incarne Jolene dans le film éponyme de Dan Ireland. Puis, en 2009, elle joue l'un des rôles principaux de Wilde Salome, second long-métrage réalisé par Al Pacino, d’après l’œuvre d’Oscar Wilde. Elle partage alors son temps entre New York et Los Angeles, entre théâtre, cinéma et télévision.

En 2011, elle est à l’affiche du film de Terrence Malick The Tree of Life, dans lequel elle interprète Mrs O’Brien, l’épouse du personnage incarné par Brad Pitt. Le film obtient la Palme d'or au Festival de Cannes et propulse la carrière de la comédienne. La même année, elle est la version jeune de l'héroïne de L'Affaire Rachel Singer, puis la femme de Michael Shannon (II) dans le tétanisant Take Shelter de Jeff Nichols, autre sensation du Festival de Cannes. Elle termine l'année 2011 en beauté puisqu'elle est nommée pour l'Oscar du Meilleur second rôle grâce à La Couleur des sentiments de Tate Taylor.

Très sollicitée, l'actrice fait ensuite du doublage pour son premier film d'animation, Madagascar 3, Bons Baisers D’Europe. Jessica Chastain revient en chair et en os et aux côtés de Shia LaBeouf et Tom Hardy dans Des hommes sans loi de John Hillcoat, violent film de gangsters se situant durant la prohibition. Elle fait aussi partie de l'équipe qui traque Oussama Ben Laden dans Zero Dark Thirty (2012) de Kathryn Bigelow, qui lui vaut sa première nomination à l'Oscar de la meilleure actrice. Elle change ensuite de registre et de look avec le film d'horreur espagnol Mamá (2013), premier long métrage d'Andres Muschietti.

Jessica Chastain est sur tous les fronts et sa chevelure éclatante ne passe pas inaperçue. En 2014, elle rejoint l'ambitieux Interstellar de Christopher Nolan, où elle joue la fille de Matthew McConaughey, avant de donner la réplique à James McAvoy dans les deux parties du drame romantique The Disappearance Of Eleanor Rigby. La même année, elle incarne la tourmentée Mademoiselle Julie, dans une énième adaptation de la pièce de Strindberg, dirigée cette fois par Liv Ullmann.

Elle enchaîne l'année suivante avec deux metteurs en scène de renom : Ridley Scott pour le film de SF Seul sur Mars, et Guillermo del Toro pour le gothique Crimson Peak. Très courtisée et à l'aise dans tous les registres, elle est ensuite une femme de poigne dans Miss Sloane et participe au conte Le Chasseur et la reine des glaces, aux côtés de Chris Hemsworth, Charlize Theron et Emily Blunt.

Dans le biopic Le Grand jeu (2017), Jessica Chastain se glisse dans la peau de Molly Bloom, une jeune femme sourdouée devenue la reine d’un gigantesque empire de poker clandestin. En 2019, après avoir campé la méchante de X-Men : Dark Phoenix, elle joue le personnage féminin principal de Ça Chapitre 2, adapté du célèbre roman de Stephen King où un clown tueur sème la terreur dans une petite ville.

Puis, la native de Sacramento est l'héroïne de deux films d'action à la Jason Bourne : Ava de Tate Taylor et 355 de Simon Kinberg. Pour ce dernier, dont elle est l'instigatrice et la productrice, elle partage l'affiche avec Diane Kruger, Penélope Cruz, Fan Bingbing et Lupita Nyong'o. Malheureusement, ces deux longs-métrages sont des échecs cuisants. Entre temps, l'actrice s'illustre dans un registre plus intimiste : rare à la télévision, elle porte en 2021, avec Oscar Isaac, la mini-série Scènes from a Marriage, remake de Scènes de la vie conjugale d’Ingmar Bergman.

En 2022, elle est méconnaissable dans le biopic sur la télé-évangéliste et chanteuse américaine Tammy Faye Messner, Dans les yeux de Tammy Faye, pour lequel elle remporte l'Oscar de la meilleure actrice. 

L'actrice continue d'incarner des personnalités réelles avec la mini-série George & Tammy, consacrée à un couple de chanteurs country ; le film Netflix Meurtres sans ordonnance, inspiré de faits réels, où elle prête ses traits à une infirmière parvenant à faire arrêter son collègue meurtrier ; et Armageddon Time de James Gray, où elle tient un petit rôle : celui de la juge et procureure Maryanne Trump, sœur de celui qui deviendra le Président des États-Unis.

En 2023, elle campe une femme brisée par un traumatisme dans le mélo Memory de Michel Franco, avant de retrouver deux ans plus tard le cinéaste mexicain avec Dreams, qui dépeint la liaison entre un jeune danseur mexicain immigré clandestin et une riche philanthrope américaine.