Jessica Michelle Chastain wurde in Sacramento, Kalifornien, geboren und wuchs in einem Mittelklasse-Haushalt in einem nordkalifornischen Vorort auf. Ihre Mutter, Jerri Chastain, ist eine vegane Köchin, deren Familie ursprünglich aus Kansas stammt, und ihr Stiefvater ist ein Feuerwehrmann. Im Alter von neun Jahren entdeckte sie das Tanzen für sich und war mit dreizehn Jahren in einer Tanztruppe. Sie begann, in Shakespeare-Produktionen in der ganzen Bay Area aufzutreten.
Ein Schauspieler in einer Inszenierung von „Romeo & Juliet“ ermutigte sie, für Juilliard vorzusprechen, um Schauspiel zu studieren. Mit Hilfe eines Stipendiums eines berühmten Ehemaligen der Schule, Robin Williams, wurde sie Mitglied der „Crew 32“.
In ihrem letzten Jahr an Juilliard wurde ihr ein Beteiligungsvertrag mit dem TV-Autor/Produzenten John Wells angeboten und sie arbeitete schließlich in drei seiner TV-Shows. Jessica spielt weiterhin Theater, sie spielte in „Der Kirschgarten“, „Rodney’s Wife“, „Salome“ und „Othello“. Sie verbringt ihre Zeit zwischen New York und Los Angeles und arbeitet in Theater, Film und TV.
Im Jahr 2011 hatte sie ein produktives Jahr im Film. Sie wurde für eine Reihe von Preisen nominiert und gewann diese auch, darunter 2012 eine Oscar-Nominierung für die beste Leistung einer Schauspielerin in einer Nebenrolle für „The Help“ (2011).