De familia de artistas de la interpretación (su padre es director, su madre guionista y productora y Jake, actor), debutó en películas realizadas por su padre, El país del agua y Una mujer peligrosa.
Su carrera fue a más en 2003, con papeles en Adaptation, de Spike Jonze, y La sonrisa de Mona Lisa, ese intento de versión femenina de El club de los poetas muertos.
Con El caballero oscuro llego su confirmación, al sustituir a Katie Holmes (que apareció en Batman begins) junto al superhéroe interpretado por Christian Bale, y la nomianción al Oscar por Corazón rebelde la catapulta a primera línea.
En Corazón rebelde, Gyllenhall interpreta a Jane, una joven periodista que tendrá la posibilidad de redimir, a través del amor, al cantante Bad Blake, interpretado por Jeff Bridges.