Jake Gyllenhaal lahir pada 19 Desember 1980 di Los Angeles, California, dengan nama lengkap Jacob Benjamin Gyllenhaal. Ia merupakan anak dari produser dan penulis skenario Naomi Foner serta sutradara Stephen Gyllenhaal. Kakaknya, Maggie Gyllenhaal, juga seorang aktris terkenal.

Keturunan keluarga ini berasal dari berbagai latar belakang etnis, termasuk Yahudi Ashkenazi dari ibunya dan Swedia, Inggris, serta Jerman dari ayahnya. Sejak kecil, Jake sudah menunjukkan bakat akting, memulai debut film pada usia 11 tahun dalam City Slickers (1991).

Selain berakting di film, ia juga memulai karier di dunia teater dengan tampil dalam revival This Is Our Youth di London, yang mendapat pujian dan berlangsung selama 8 minggu di West End. Ia kemudian membintangi film seperti October Sky, Donnie Darko dan Brokeback Mountain.

Peran di Brokeback Mountain (2005) menjadi titik balik penting, yang membawa kritikus memujinya dan memenangkan BAFTA Award sebagai Best Actor in a Supporting Role. Ia juga mendapatkan nominasi di berbagai ajang, termasuk Oscar dan SAG Award.

Kariernya terus berkembang dengan membintangi berbagai film seperti Zodiac, Brothers, Prince of Persia, Love & Other Drugs dan Nightcrawler. Ia dikenal karena kemampuannya memerankan beragam karakter, dari drama hingga aksi dan thriller, serta meraih berbagai penghargaan dan nominasi internasional.