Jessica Michelle Chastain urodziła się w Sacramento w Kalifornii i wychowała się w domu z klasy średniej na przedmieściach Północnej Kalifornii. Jej matka, Jerri Chastain, jest wegańską szefową kuchni, której rodzina pochodzi z Kansas, a ojczym jest strażakiem. Odkryła taniec w wieku dziewięciu lat i już w wieku trzynastu lat należała do zespołu tanecznego. Zaczęła występować w produkcjach szekspirowskich w całym rejonie Zatoki.
Aktor w produkcji „Romeo & Julia” zachęcił ją do przesłuchania do Juilliard jako kierunek dramatyczny. Została członkiem „Crew 32” z pomocą stypendium od jednego ze słynnych absolwentów szkoły, Robina Williamsa.
Na ostatnim roku studiów w Juilliard zaproponowano jej współpracę z pisarzem/producentem telewizyjnym Johnem Wellsem i ostatecznie zagrała w trzech jego programach. Jessica nadal zajmuje się teatrem, grała m.in. w „Wiśniowym sadzie”, „Żonie Rodneya”, „Salome” i „Otellu”. Spędza swój czas pomiędzy Nowym Jorkiem a Los Angeles, pracując w teatrze, filmie i telewizji.
W 2011 roku miała płodny rok w filmie. Otrzymała wiele nominacji i zdobyła wiele nagród, w tym nominację do Oscara 2012 za najlepszą rolę drugoplanową w filmie „Pomoc” (2011).