Jessica Michelle Chastain est née à Sacramento, en Californie, et a été élevée dans un foyer de classe moyenne dans une banlieue de Californie du Nord. Sa mère, Jerri Chastain, est une chef cuisinière végétalienne dont la famille est originaire du Kansas, et son beau-père est pompier. Elle découvre la danse à l’âge de neuf ans et fait partie d’une troupe de danse à treize ans. Elle a commencé à se produire dans des productions shakespeariennes dans toute la région de la baie.
Un acteur dans une production de « Roméo & Juliette » l’a encouragée à auditionner pour Juilliard en tant que majeure en théâtre. Elle est devenue membre de « Crew 32 » avec l’aide d’une bourse d’études de l’un des célèbres anciens élèves de l’école, Robin Williams.
Lors de sa dernière année à Juilliard, on lui a proposé un contrat de holding avec le scénariste et producteur de télévision John Wells et elle a finalement travaillé dans trois de ses séries télévisées. Jessica continue à faire du théâtre, ayant joué dans « La Cerisaie », « La femme de Rodney », « Salomé » et « Othello ». Elle passe son temps entre New York et Los Angeles, travaillant au théâtre, au cinéma et à la télévision.
En 2011, elle a connu une année prolifique au cinéma. Elle a été nommée et a remporté de nombreux prix, notamment une nomination à l’Oscar 2012 de la meilleure performance d’une actrice dans un second rôle pour The Help (2011).