Jessica Chastain débute la danse enfant avant de jouer adolescente Shakespeare sur scène.

Puis elle se perfectionne à la Juilliard School of Drama de New York et devient une des jeunes comédiennes phares des planches grâce à ses interprétations dans « La Cerisaie » de Tchekhov avec Michelle Williams, « Rodney's Wife » de Richard Nelson avec David Strathairn, « Salomé » d'Oscar Wilde avec Al Pacino et « Othello » de Shakespeare avec Philip Seymour Hoffman.

Le petit écran la convie à traverser des épisodes des séries URGENCES (2004), VERONICA MARS (2004), JUSTE CAUSE (2006), THE EVIDENCE (2006), JOURNEYMAN (2007) ainsi que les téléfilms DARK SHADOWS de P.J. Hogan (2004) et LE TRESOR DE BARBE-NOIRE de Kevin Connor (2006), tout comme elle devient assistante avocate dans quatre volets de NEW YORK, COUR DE JUSTICE (2005-06).

Remarquée au théâtre, elle est choisie pour incarner l'héroïne titre de la production indépendante JOLENE de Dan Ireland (2008), où elle est une orpheline qui parcourt pendant dix ans les Etats-Unis d'après le récit de E.L. Doctorow.

Pour son premier film, elle fait face à Chazz Palminteri, Dermot Mulroney, Frances Fisher, Rupert Friend, Michael Vartan et Denise Richards.

Elle enchaîne dès lors les tournages face aux vedettes pour les thrillers STOLEN (Anders Anderson, 2009) avec Josh Lucas, Jon Hamm et James Van Der Beek, et L'AFFAIRE RACHEL SINGER (John Madden, 2010) avec Sam Worthinghton et Marton Csokas, dans la peau du personnage incarné plus âgé par Helen Mirren.

Le film sort en France en 2011, année de la révélation au monde de l'actrice en mère aimante du futur Sean Penn dans le parcours de vie THE TREE OF LIFE (Terrence Malick) face à Brad Pitt, en épouse du troublé Michael Shannon dans TAKE SHELTER (Jeff Nichols), en sudiste face à la révolution ségrégationniste en route dans LA COULEUR DES SENTIMENTS (Tate Taylor) et dans les ombres de KILLING FIELDS (Ami Canaan Mann, photo).

Les acteurs réalisateurs la réclament en Virgilia dans CORIOLANUS de et avec Ralph Fiennes d'après Shakespeare et en héroïne titre du WILDE SALOME de et avec Al Pacino (2011).

Elle varie les genres et assiste les frères criminels de la Prohibition dans DES HOMMES SANS LOI (John Hillcoat) et prête sa voix pour MADAGASCAR 3 (Eric Darnell, Tom McGrath, Conrad Vernon) (2012).

Puis l'oscarisée Kathryn Bigelow l'entraîne dans sa chasse à l'homme sur les traces d'Oussama Ben Laden dans ZERO DARK THIRTY (2012).