Jake Gyllenhaal hizo su debut cinematográfico a los 11 años en City Slickers (1991). Desde finales de los años 90 hasta principios de los 2000, protagonizó October Sky (1999) y Donnie Darko (2001), recibiendo una nominación al Independent Spirit Award a Mejor Actor por esta última. Siguió con papeles en Bubble Boy (2001), The Good Girl (2002), Moonlight Mile (2002) y The Day After Tomorrow (2004).

Hizo su debut teatral en una reposición de This Is Our Youth en Londres. La obra fue bien recibida y se presentó durante 8 semanas en el West End. Luego protagonizó Jarhead (2005) y Proof (2005). Sin embargo, fue su actuación en Brokeback Mountain (2005) la que le valió el reconocimiento de la crítica. Ganó el BAFTA Award a Mejor Actor de Reparto, además de ser nominado al SAG Award a Mejor Actuación de un Actor Masculino en un Papel de Reparto, al Satellite Award a Mejor Actor de Reparto - Película y al Óscar a Mejor Actor de Reparto. Después, protagonizó Zodiac (2007), Brothers (2009), Prince of Persia: The Sands of Time (2010) y Love & Other Drugs (2010). Por Love & Other Drugs (2010), fue nominado al Globo de Oro a Mejor Actor - Película Musical o Comedia.

En la década de 2010, protagonizó Source Code (2011), End of Watch (2012), Prisoners (2013), Nightcrawler (2014), Southpaw (2015) y Demolition (2015). Por Nightcrawler (2014), fue nominado al Globo de Oro a Mejor Actor en Película Dramática, al SAG a Mejor Actuación de un Actor Masculino en un Papel Protagónico y al BAFTA a Mejor Actor Protagónico.