Jena Malone fait ses premiers pas au cinéma à l'âge de 12 ans. Son jeune âge ne l'empêche pas de livrer une prestation remarquée dans le film Bastard out of Carolina (qui aborde le thème tragique de l'inceste) et de se voir récompensée par un Young Artist Award. Slalomant par la suite entre séries et téléfilms, la jeune actrice s'illustre très vite aux côtés de personnalités du septième art. Elle partage ainsi le casting du film de science-fiction Contact avec Jodie Foster (dont elle joue le personnage enfant), devant la caméra de Robert Zemeckis en 1997. L'année suivante, elle joue les adolescentes de famille recomposée aux côtés de Julia Roberts et Ed Harris, et sous la direction de Chris Columbus, avant de participer à la comédie dramatique Pour l'amour du jeu de Sam Raimi et avec Kevin Costner en 2000.
Continuant d'évoluer d'un petit rôle à l'autre, la jeune Jena Malone poursuit lentement mais sûrement sa carrière au cinéma. Elle retrouve ainsi l'actrice Jodie Foster en 2001 dans le drame The Dangerous Lives of Altar Boys, qui ne bénéficie pas d'une sortie dans les salles françaises. Elle apparait également dans des films tels que Donnie Darko (2002), La Maison sur l'océan (id.) aux côtés de Kevin Kline et de Kristin Scott Thomas, ou encore American Girl (2002) qu'elle co-produit. En parallèle, Jena Malone continue de s'illustrer à la télévision, ainsi que sur les planches de Broadway.
Sur grand écran, la jeune comédienne multiplie les expériences dans des genres divers et variés. Et si elle s'en tient encore la plupart du temps à des rôles secondaires (The United States of Leland, 2003, Retour à Cold Mountain, 2004), elle monte occasionnellement en haut de l'affiche de productions légèrement plus modestes, et partage notamment celle de la comédie adolescente Saved! avec Macaulay Culkin.
C'est de cette manière que Jena Malone aborde les années qui suivent, collectionnant les seconds rôles dans des films de plus en plus importants, qui seront pour elle autant de portes vers le devant de la scène. On peut ainsi la voir dans la romance Orgueil et préjugés (2006), le drame The Ballad of Jack and Rose (id.), l'exotique Into the Wild (2008). Des rôles qui permettent à la jeune actrice d'accéder à la tête d'affiche du film d'horreur Les Ruines et d'intégrer le quintette dévastateur du frénétique Sucker Punch (2011) sous la baguette de Zack Snyder trois ans après.
Après le tournage des drames For Ellen et In our Nature, en 2012, Malone obtient un rôle récurrent dans la série Hatfields & McCoys. En 2013, elle rejoint la superproduction de la franchise Hunger Games, pour le deuxième volet : Hunger Games – L’embrasement. Elle y joue le personnage de Johanna Mason, victorieuse des 68èmes Hunger Games, et sélectionnée dans son District 7 pour participer aux jeux de l’Expiation face à Katniss (Jennifer Lawrence) et Peeta (Josh Hutcherson).
La comédienne enchaîne ensuite avec le thriller The Wait, projeté au Festival du film Américain de Deauville en 2013. En 2014, elle tourne dans un autre thriller, Vice Caché avec Joaquin Phoenix et Josh Brolin et dans le drame Time Out of Mind aux côtés de Richard Gere. L’acteur y joue un New-yorkais obligé d’intégrer un refuge de SDF après une déroute financière, ce qui pourrait le rapprocher de sa fille, interprétée par Jena Malone. Cette dernière retrouve, également en 2014, le personnage de Johanna Mason pour l’avant dernier chapitre de la saga Hunger Games - La Révolte : Partie 1. Rôle qu’elle reprend pour l’épisode final Hunger Games - La Révolte : Partie 2 (2015).