Née le 29 mars 1981, en Caroline du Nord, aux Etats-Unis, Jessica Chastain (de son vrai nom Howard) a quatre frères et sœurs. Fille d’un pompier et d’une chef cuisinière, elle n’était pas prédisposée à réussir dans les arts, mais construit son rêve à force de détermination. Elle débute la danse à l’âge de neuf ans, et rejoint une troupe jusqu’à ses treize ans, avant de se tourner vers le théâtre.
Elle décide alors d’adopter le nom de jeune fille de sa mère et entre à la Juilliard School, l'école d’art dramatique de New York. Elle est choisie pour jouer Desdemona, dans la pièce Othello, de William Shakespeare. C’est ensuite sur le petit écran, avec des rôles secondaires dans Urgences, New York Cour de Justice ou Veronica Mars, qu'elle fait ses classes. A partir de 2007, le cinéma lui fait les yeux doux: elle devient successivement Jolene dans le film éponyme, de Dan Ireland, puis Salomé dans Wilde Salome, d’Al Pacino, adapté du roman d’Oscar Wilde.
2011 est l’année de sa consécration. Choisie pour interpréter Mrs O’Brien, l’épouse de Brad Pitt dans Tree of Life, de Terrence Malick, elle se fait connaître du monde entier lorsque le film reçoit la palme d’or au festival de Cannes 2011. La même année, elle est la jeune héroïne de L’Affaire Rachel Singer, aux côtés de Sam Worshington et Helen Mirror. En janvier 2012, elle apparaît au générique du drame de Jeff Nichols, Take Shelter, très bien accueilli par la critique. Depuis septembre 2012, Jessica est au générique de Des hommes sans loi, de John Hillcoat aux côtés de Jason Clarke, Shia LaBeouf et Tom Hardy. En 2013, la sublime rousse est à l'affiche du thriller fantastique, Mama, mis en scène par Andres Muschietti et produit par Guillermo del Toro.
Après avoir brillé dans le rôle-titre de Mademoiselle Julie en 2014, elle joue dans Interstellar, film de Christopher Nolan avec Matthew McConaughey, Anne Hathaway, Michael Caine et Matt Damon, acclamé par la critique. S'ensuivent Crimson Peak et Seul sur Mars en 2015, Le Chasseur et la Reine des glaces et Miss Sloane en 2016, Le Grand Jeu en 2017, X-Men: Dark Phoenix et Ça : Chapitre 2 en 2019.
En 2020, elle produit et campe le rôle principal du film d'action Ava. Le 27 mars 2022, Jessica Chastain remporte l'Oscar de la meilleure actrice pour son rôle dans The Eyes of Tammy Faye, qu'elle a également produit. L'année 2022, l'actrice est au casting de quatre films : 355, Meurtres sans ordonnance, Armageddon Time et The Forgiven. On la retrouve en 2023 dans le rôle de Sylvia dans le film Memory de Michel Franco, et dans celui d'Alice dans Mothers' Instinct.
Côté vie privée, Jessica Chastain épouse Gian Luca Passi de Preposulo, son compagnon depuis 2012, lors d'une cérémonie organisée à Trévise en Italie, le 10 juin 2017. En novembre 2018, ils accueillent une petite fille, Giulietta, née par mère porteuse. Le 26 mars 2020, l'actrice est aperçue se promenant avec un nouveau-né dans un porte-bébé à Santa Monica.