Fils du réalisateur Stephen Gyllenhaal et de la scénariste Naomi Foner, Jake Gyllenhaal fait ses débuts au cinéma à 11 ans face à Billy Crystal dans La vie, l'amour, les vaches (1991). Élevé dans un environnement dédié au cinéma (sa marraine n'est autre que Jamie Lee Curtis et son parrain Paul Newman), il fait quelques apparitions sur grand écran au cours de son adolescence. Il tourne notamment dans A dangerous woman (1993) et dans Homegrown (1998), chaque fois dirigé par son père.

Son parcours va alors de pair avec celui de sa sœur, Maggie. C'est à ses côtés qu'il est révélé au grand public en 2001 dans Donnie Darko, où il incarne un adolescent perturbé communiquant avec un inquiétant lapin géant... Il se fait progressivement un nom dans le milieu des films indépendants (The Good Girl en 2002) puis partage l'affiche du blockbuster de Roland Emmerich, Le Jour d'après (2004), dévoilant ainsi son visage de jeune premier à un large public.

Désormais considéré comme l'une des valeurs montantes d'Hollywood, Jake Gyllenhaal sélectionne alors ses projets avec attention, choisissant des rôles forts. En 2006 et en 2007, il est tour à tour un marine perdu lors de la guerre du Golfe pour Sam Mendes dans Jarhead - la fin de l'innocence, un cow-boy homosexuel dans Le Secret de Brokeback Mountain d'Ang Lee (l'acteur est alors nominé pour la première fois aux Oscars) ou encore un agent de la CIA remettant sa mission en question dans Détention secrète aux côtés de Reese Witherspoon. L'acteur tourne également sous la direction de David Fincher dans Zodiac, pour lequel il partage l'affiche avec Robert Downey Jr..

Jake Gyllenhaal continue de privilégier le registre dramatique, sur fond de guerre en Afghanistan dans Brothers (2009) du cinéaste irlandais Jim Sheridan, où il forme un trio maudit avec Natalie Portman et Tobey Maguire. En 2010, Gyllenhaal prend du muscle pour la superproduction adaptée du célèbre jeu vidéo, Prince of Persia : les sables du temps. Il fait ensuite un détour par la comédie avec Love, et autres drogues où il partage l'affiche avec Anne Hathaway, récoltant une nomination aux Golden Globes. L'acteur retrouve les films d'actions avec ses rôles de soldat amnésique dans Source Code (2011) et d'officier de police chevronné dans End of Watch (2012).

Sélectionnant ses films avec pertinence, Jake Gyllenhaal est ensuite à l’affiche de deux thrillers réalisés par Denis Villeneuve (Incendies) : Prisoners et Enemy (tourné en premier mais qui sort après). En 2014, il se glisse dans la peau d’un journaliste indépendant et ambitieux enquêtant dans le milieu du crime à Los Angeles pour les besoins de Night Call. Particulièrement à l'aise dans les rôles physiques, l'acteur campe un boxeur prêt à tout pour retrouver sa gloire et sa dignité dans La Rage au ventre (2015) d'Antoine Fuqua et un alpiniste dans Everest (id.). 

Homme déprimé suite à la mort de sa femme dans Demolition, Jake Gyllenhaal goûte ensuite aux joies du thriller avec Nocturnal Animals et de la SF avec Life: Origine inconnue. En 2018, il se glisse dans la peau de Jeff Bauman, qui a perdu ses jambes dans l'attentat de Boston en 2013. Une preuve supplémentaire de son engouement pour les rôles difficiles. La même année, Jake Gyllenhaal est mis à l'honneur en devenant membre du Jury du Festival de Cannes et rejoint notamment Guillermo Del Toro, Xavier Dolan ou Sophie Marceau.

Variant les genres, le natif de Los Angeles tourne sous la houlette de Jacques Audiard dans le western Les Frères Sisters, incarne le méchant du blockbuster Marvel Spider-Man: Far from Home et retrouve Antoine Fuqua pour The Guilty, remake du film danois du même nom dans lequel un opérateur tente de sauver une femme kidnappée. L'acteur se glisse ensuite dans la peau d'un braqueur dans Ambulance de Michael Bay.