Fille unique, elle a grandi dans le quartier de Brooklyn Heights, à Brooklyn, près du pont de Brooklyn, excepté pendant une période de quatre ans que la famille a passé à Woodstock (New York). Son père travaillait dans l'industrie du vêtement et s'était lié d'amitié avec un publicitaire. Celui-ci suggéra à Jennifer de passer une audition dans une agence de mannequins. À l'âge de 10 ans, sa carrière débuta dans les publicités pour magazines et journaux, puis les publicités télévisées.Son premier rôle au cinéma fut celui de Deborah Gelly dans Il était une fois en Amérique de Sergio Leone. Celui-ci fut suivi du premier rôle dans Phenomena de Dario Argento et dans Labyrinthe de Jim Henson, aux côtés de David Bowie. En 1988, elle entra à Yale. Deux ans plus tard, elle quitta Yale pour Stanford où elle resta un an. Mais elle n'acheva jamais ses études. Elle revint à sa carrière d'actrice dans des films comme The Rocketeer (1991), Fièvre à Columbus University (1995) et Dark City (1998).

Bien qu'elle ait exercé ce métier depuis l'adolescence, ce n'est qu'à 30 ans qu'elle a été encensée par la critique, notamment pour Requiem for a Dream (2000) et Un homme d'exception (2001), pour lequel elle a reçu l'Oscar du meilleur second rôle féminin. En 2003, elle incarne la scientifique Betty Ross dans le blockbuster Hulk, d'Ang Lee. Le film obtient qu'un succès mitigé de la part de la critique et du public. La même année, elle change d'univers en partageant la vedette avec Ben Kingsley dans le film dramatique House of Sand and Fog.

Depuis, elle apparaît dans des productions cinématographiques diverses comme des grosses productions comme le film d'aventures Blood Diamond, le film de science-fiction Le Jour où la Terre s'arrêta, mais peut enchaîner des films indépendants, voire plus intimistes comme le film d'horreur Dark Water, les drames Little Children et Reservation Road, la comédie romantique Ce que pensent les hommes ou le films destiné aux enfants C½ur d'encre. En 2009, elle double le personnage de 7 dans le film d'animation 9, puis joue au côté de son époux Paul Bettany le rôle d'Emma Darwin dans Création.