Né dans le Queens d'un père professeur et d'une mère clown, le frère aîné de l'actrice Hallie Kate Eisenberg commence sa carrière dès l'âge de 13 ans sur les planches de Broadway. Trois ans plus tard, il décroche un rôle dans la série La Famille Green avec Anne Hathaway, mais l'aventure cesse dès la fin de la première saison.

Alors qu'il est accepté à la prestigieuse New York University, Jesse Eisenberg préfère mettre de côté ses études pour travailler l'un des personnages principaux de Roger Dodger. Bonne pioche pour l'acteur car son rôle du neveu de Campbell Scott dans ce film, révèle son talent à toute la profession. Il campe par la suite des seconds rôles dans Le Club des empereurs (2002), le terrifiant Village (2004) de M. Night Shyamalan, le flop Cursed (2005) de Wes Craven ou encore Les Berkman se séparent (2006).

Cependant, c'est en 2009 que le jeune acteur crève l'écran. Tout d'abord avec le premier rôle d'Adventureland, où il obtient un job d'été dans un petit parc d'attractions perdu, puis surtout dans Bienvenue à Zombieland, où en compagnie de Woody Harrelson, il survit à un monde infesté de morts-vivants. En 2010, il est le héros de David Fincher dans The Social Network, incarnant l'inventeur de Facebook, Mark Zuckerberg. Pour ce rôle, il est nommé dans de nombreuses cérémonies dans la catégorie Meilleur Acteur, notamment aux Oscars et aux Golden Globes.

L'année suivante, Jesse Eisenberg est de nouveau à l'affiche de productions plus mineures comme Jewish Connection et 30 Minutes Maximum (second long métrage du réalisateur de Bienvenue à Zombieland) et il s'essaye également au doublage en prêtant sa voix à Blu dans le lucratif Rio. En 2012, il ajoute une autre corde à son arc en rejoignant le casting quatre étoiles (Alec Baldwin, Roberto Benigni, Penélope Cruz et Ellen Page) de To Rome with Love du très prolifique Woody Allen.

La trentaine, l'étoile montante du cinéma américain continue de se démarquer en faisant de grands écarts entre des films plutôt grand public (Insaisissables, American Ultra) et des productions indépendantes à la visibilité réduite (Night Moves, The Double, Back Home). En 2016 sort en salles le très attendu blockbuster à 200 millions de dollars Batman v Superman: L'aube de la justice de Zack Snyder, dans lequel l'acteur incarne Lex Luthor, le méchant s'opposant aux super héros campés par Ben Affleck et Henry Cavill.