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. Elevé 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 et Homegrown, chaque fois dirigé par son père. Son parcours va alors de pair avec celui de sa soeur, Maggie. C'est à ses cotés 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 prénom dans le milieu des films indépendants (The Good Girl) puis partage l'affiche du blockbuster de Roland Emmerich, Le Jour d'après, dévoilant ainsi son visage de jeune premier à un large public.
Considéré désormais comme l'une des valeurs montantes d'Hollywood, Jake Gyllenhaal sélectionne alors ses projets avec attention, choisissant des rôles forts. En 2006 et 2007, il est tour à tour marine perdu lors de la guerre du Golfe pour Sam Mendes (Jarhead - la fin de l'innocence ), cow-boy homosexuel pour Ang Lee (Le Secret de Brokeback Mountain) ou encore agent de la CIA remettant sa mission en question dans Détention secrète aux côtés de Reese Witherspoon. La même année, l'acteur tourne également sous la direction de David Fincher dans Zodiac, pour lequel il partage l'affiche avec Robert Downey Jr.. Il continue de privilégier le registre dramatique, sur fond de guerre en Afghanistan, dans Brothers du cinéaste irlandais Jim Sheridan en 2009 où il forme un trio maudit avec Natalie Portman et Tobey Maguire.
En 2010, on le retrouve en tête d'affiche de la superproduction adaptée du jeu vidéo, Prince of Persia : les sables du temps.
