Jillian Bell est née et a grandi à Las Vegas dans le Nevada. Elle se passionne très tôt pour l'improvisation théâtrale, qu'elle pratique dès l'âge de 8 ans. Après avoir obtenu son diplôme de la Bishop Gorman High School en 2002, la jeune femme déménage à Los Angeles et devient membre des Groundlings, une troupe de comiques spécialisé dans l'improvisation.

Jillian auditionne par la suite pour intégrer le cast de Saturday Night Live. Elle est finalement engagée pour en être une des auteurs en 2009, pour la 35ème saison. Elle sort de l'ombre en 2011 avec le rôle de Jillian Belk dans la sitcom Workaholics. Cela lui ouvre les portes du cinéma. L'année suivante, on retrouve la comédienne dans la comédie à succès Mes meilleures amies de Paul Feig.

Bell tourne la même année sous la direction de Paul Thomas Anderson dans The Master, aux côtés de Joaquin Phoenix. Elle intègre l'année suivante le casting de la saison 4 de la série comique Kenny Powers ; l'actrice y incarne le personnage très apprécié de Dixie. Tout en continuant à tourner dans Workaholics, Jillian tourne pour le grand écran.

On la retrouve en effet en 2015 dans Inherent Vice, sa seconde collaboration avec Paul Thomas Anderson, toujours avec Joaquin Phoenix. Il s'agit des rares incursions de la comédienne dans le drame ; la jeune femme retournant ensuite du côté de la comédie avec Chair de poule - le film, Joyeux bordel ou Fist Fight. En 2017, Jillian est à l'affiche du déjanté #Pire soirée aux côtés de Scarlett Johansson.