Jake Gyllenhaal fez sua estreia no cinema aos 11 anos em City Slickers (1991). Do final dos anos 1990 ao início dos anos 2000, ele estrelou October Sky (1999) e Donnie Darko (2001), recebendo uma indicação ao Independent Spirit Award de Melhor Ator por este último. Em seguida, atuou em Bubble Boy (2001), The Good Girl (2002), Moonlight Mile (2002) e The Day After Tomorrow (2004).

Ele fez sua estreia no teatro em uma remontagem de This Is Our Youth em Londres. A peça foi bem recebida e ficou em cartaz por 8 semanas no West End. Depois, estrelou Jarhead (2005) e Proof (2005). No entanto, foi sua atuação em Brokeback Mountain (2005) que lhe rendeu aclamação da crítica. Ele ganhou o BAFTA Award de Melhor Ator Coadjuvante, além de ter sido indicado ao SAG Award de Melhor Ator Coadjuvante, ao Satellite Award de Melhor Ator Coadjuvante - Cinema e ao Oscar de Melhor Ator Coadjuvante. Posteriormente, estrelou Zodiac (2007), Brothers (2009), Prince of Persia: The Sands of Time (2010) e Love & Other Drugs (2010). Por Love & Other Drugs (2010), foi indicado ao Globo de Ouro de Melhor Ator - Comédia ou Musical.

Na década de 2010, estrelou Source Code (2011), End of Watch (2012), Prisoners (2013), Nightcrawler (2014), Southpaw (2015) e Demolition (2015). Por Nightcrawler (2014), foi indicado ao Globo de Ouro de Melhor Ator em Filme de Drama, ao SAG Award de Melhor Ator Principal e ao BAFTA Award de Melhor Ator Principal.