Jessica Michelle Chastain nació en Sacramento, California, y se crió en un hogar de clase media en un suburbio del norte de California. Su madre, Jerri Chastain, es una chef vegana cuya familia es originaria de Kansas, y su padrastro es bombero. Descubrió la danza a los nueve años y a los trece ya formaba parte de un grupo de baile. Empezó a actuar en producciones de Shakespeare por toda la zona de la bahía.
Un actor de una producción de «Romeo & Julieta» la animó a presentarse a las pruebas de Juilliard para estudiar arte dramático. Se convirtió en miembro del «Crew 32» con la ayuda de una beca de uno de los famosos ex alumnos de la escuela, Robin Williams.
En su último año en Juilliard, le ofrecieron un contrato de participación con el guionista y productor de televisión John Wells y acabó trabajando en tres de sus programas de televisión. Jessica sigue haciendo teatro, habiendo actuado en «El huerto de los cerezos», «La mujer de Rodney», «Salomé» y «Otelo». Pasa su tiempo entre Nueva York y Los Ángeles, trabajando en teatro, cine y televisión.
En 2011, tuvo un año prolífico en el cine. Fue nominada y ganó varios premios, incluyendo una nominación al Oscar 2012 a la mejor interpretación de una actriz en un papel secundario por The Help (2011).