C'est grâce au conseil d'un ami que Jennifer Connelly doit sans doute la carrière qui est la sienne. Celui-ci soumet en effet à ses parents l'idée de présenter la jeune fille, alors âgée de dix ans, à une audition pour modèles. Jennifer Connelly débute ainsi en apparaissant dans des publicités de magazines puis dans des spots télévisés.

En 1984, à l'âge de quatorze ans, Jennifer Connelly fait ses premiers pas sur grand écran de manière fracassante puisqu'elle incarne une jeune danseuse dans Il etait une fois en Amerique de Sergio Leone. Des débuts prestigieux suivis, un an plus tard, par le rôle-vedette de Phenomena, réalisé par Dario Argento. Toujours aussi précoce et active, elle joue en 1986 dans le film d'aventures Labyrinthe, partageant la vedette avec le chanteur de rock David Bowie.

En 1990, Jennifer Connelly s'illustre dans Hot Spot, réalisé par Dennis Hopper et dans lequel elle a pour partenaire Don Johnson. Un an plus tard, elle acquiert un peu plus de reconnaissance auprès du grand public grâce à son rôle dans The Rocketeer de Joe Johnston. Mais c'est véritablement à partir de 1995 que la carrière de la jeune femme prend un tournant décisif. Après avoir joué dans Higher learning et Les Hommes de l'ombre, Jennifer Connelly décroche le rôle féminin principal du film fantastique Dark City d'Alex Proyas, dans lequel elle côtoie Rufus Sewell, William Hurt et Kiefer Sutherland.

En 2000, elle tient la vedette du Fantôme de Sarah Williams mais elle se fait surtout remarquer dans le Requiem for a Dream de Darren Aronofsky avec le rôle marquant d'une femme plongée dans l'enfer de la drogue. L'année suivante, c'est la consécration : son rôle dans Un homme d'exception de Ron Howard, qui la voit faire face à Russell Crowe, lui vaut de remporter le Golden Globe et l'Oscar du Meilleur second rôle féminin. En 2003, preuve d'un grand éclectisme, Jennifer Connelly incarne le personnage féminin principal du Hulk d'Ang Lee, adaptation sur grand écran du célèbre comic-book.

L'année d'après, Jennifer Connelly est la vedette du film fantastique Dark water, remake américain du film d'Hideo Nakata. Choisissant ses rôles avec soin, elle alterne films indépendants tels Little Children (2006) et productions hollywoodiennes comme Blood Diamond (id.), où elle donne la réplique à Leonardo DiCaprio. En 2008, elle retrouve le fantastique, un genre qu'elle affectionne, avec Le Jour où la Terre s'arrêta, film dans lequel elle tente de sauver le monde avec l'aide d'un extra-terrestre (Keanu Reeves). Par la suite, Jennifer Connelly s'essaie à la comédie romantique en jouant une femme mariée, esseulée par son mari (Bradley Cooper) qui la trompe avec une bimbo (Scarlett Johansson) dans le film choral Ce que pensent les hommes, avant d'interpréter la femme très pieuse de Charles Darwin aux côtés de son époux, Paul Bettany dans Création de Jon Amiel (2010).

La belle Jennifer se glisse ensuite dans la peau de Virginia, une femme mentalement instable qui s'entend mal avec le shérif local à cause d'un différent les ayant opposés vingt ans auparavant. Lorsque le fils de Virginia sort avec la fille du shérif, rien ne va plus. Elle partage ensuite l'affiche avec Pierce Brosnan dans Salvation Boulevard avant de rejoindre Vince Vaughn et Kevin James dans la comédie Le Dilemme. En 2014, elle s'éprend de Colin Farrell dans Un amour d'hiver et retrouve le réalisateur Darren Aronofsky pour le péplum biblique Noé. Jennifer y campe Naameh, la femme du héros incarné par Russell Crowe. En 2016, la native de Catskill Mountains donne la réplique à Cillian Murphy dans le drame L'attrape-rêves. Tournant peu au cinéma, on la voit ensuite dans le film de pompiers Line of Fire, le blockbuster adapté d'un manga à succès Alita: Battle Angel et la suite de Top Gun, Top Gun: Maverick.

Parallèlement, la native de New York joue l'un des personnages principaux de la série post-apocalyptique Snowpiercer, adaptée du film de Bong Joon-ho avec Chris Evans (lui-même adapté de la BD de Jacques Lob et Jean-Marc Rochette). Elle y campe Melanie Cavill, en charge du fameux train ne s'arrêtant pas.