Studentessa della Juillard
Jessica Chastain è nata nella California del Nord, nel 1981. Ultima di cinque figli, è cresciuta con la madre, una cuoca vegana, e con il patrigno pompiere.
Scopre la danza a soli nove anni, mentre a tredici entra in un corpo di ballo. Dopo aver frequentato la prestigiosa Juilliard School di New York City (verso la quale era stata spinta da un attore con cui aveva recitato in "Romeo & Giulietta" e "Otello") e, dopo aver partecipato ad alcuni spettacoli drammatici shakespeariani e a svariati progetti studenteschi ("The Cherry Orchard", "Rodney's Wife", "Salome"), sceglie come nome d'arte il cognome di sua madre.
Entrata nella Crew 32, viene ingaggiata dal produttore e sceneggiatore John Welles per lavorare in televisione. I primi ruoli sono: E.R. - Medici in prima linea (2004) di Christopher Chulack con Mekhi Phifer, Goran Visnjic e Linda Cardellini; Veronica Mars (2004) di Nick Marck, con Kelly Hu, Kristen Bell e Amanda Seyfried; una comparsata in Dark Shadows (2005) di P.J. Hogan, con Martin Donovan e Matt Czuchry; Law & Order - Trial by Jury (2005-2006) di Caleb Deschanel, Dwight H. Little, Aaron Lipstadt e Joe Ann Fogle con Bebe Neuwirth, Peter Coyote, Candice Bergen, Aidan Gillen, Lorraine Bracco, Giancarlo Esposito e Ron Silver; il film tv Blackbeard (2006) di Kevin Connor, con Richard Chamberlain; il pilot di The Evidence (2006) di Gary Fleder con Orlando Jones, Rob Estes e Martin Landau; Close to Home - Giustizia ad ogni costo (2006), di Martha Mitchell con Jon Seda; e una puntata di Journeyman (2007) di Alex Graves con Moon Bloodgood e Kevin McKidd.

I film
Il suo debutto cinematografico è invece segnato dal film Jolene (2008) di Dan Ireland che le fa ricevere il premio come miglior attrice al Seattle International Film Festival. Il ruolo seguente è quello di una giovane agente del Mossad nel film di John Madden Il debito (2010).
Notata da Ralph Fiennes, viene scelta per recitare con Vanessa Redgrave in Coriolanus (2010) e da Al Pacino per il suo Wilde Salome (2010).
Nel 2011 è la protagonista femminile di Take Shelter, diventa poi la signora O'Brien, moglie di un signor O'Brien interpretato da Brad Pitt, in The Tree of Life (2011), ritorno alla regia dopo anni di silenzio di Terrence Malick. Fra le altre pellicole anche il thriller psicologico Texas Killing Fields (2011), diretto dalla figlia di Michael Mann, Ami Canaan Mann e il drammatico The Help, nel quale affianca Emma Stone, Viola Davis e Bryce Dallas Howard. L'anno successivo John Hillcoat la sceglie per il gangster-movie con Tom Hardy e Gary Oldman Lawless. La consacra poi il ruolo di Maya, giovane ufficiale della CIA durante la cattura di Bin Laden (ruolo che le regala un Golden Globe come migliore attrice protagonista), nel film di Kathryn Bigelow Zero Dark Thirty. In continua ascesa, la bella attrice partecipa poi a film di fantascienza come Interstellar (2014) di Christopher Nolan e Sopravvissuto - The Martian di Ridley Scott. Nello stesso anno partecipa al drammatico Miss Julie, diretto da Liv Ullmann e basato sull'omonima opera di August Strindberg, assieme a Colin Farrell e Samantha Morton, per poi cimentarsi nei panni di Anna Morales nel thriller di J.C. Chandor, 1981: indagine a New York e in quelli di Sara ne Il cacciatore e la Regina di Ghiaccio (2016).
Tra le più recenti interpretazioni troviamo Molly's Game, X-Men: Dark Phoenix, Scenes from a Marriage e Gli occhi di Tammy Faye, film che le ha permesso di conquistare il premio Oscar come miglior attrice protagonista.