L'actrice à une projection dIl était une fois en Amérique, au festival de Cannes 2012. Fille unique, Jennifer Lynn Connelly grandit dans le quartier de Brooklyn Heights, dans l'arrondissement new-yorkais de Brooklyn, près du pont de Brooklyn, excepté pendant une période de quatre ans que la famille passe dans la ville de Woodstock (également dans l'État de New York). Son père travaille dans l'industrie du vêtement et s'est lié d'amitié avec un publicitaire. Celui-ci suggère à Jennifer de passer une audition dans une agence de mannequins.
À l'âge de 10 ans, sa carrière commence dans les publicités pour magazines et journaux, puis les publicités télévisées. Son premier rôle au cinéma est celui de Deborah Gelly dans Il était une fois en Amérique de Sergio Leone. Celui-ci est suivi du premier rôle dans Phenomena, de Dario Argento, et dans Labyrinthe, de Jim Henson, aux côtés de David Bowie. En 1988, elle entre à Yale.
Deux ans plus tard, elle quitte Yale pour Stanford, où elle reste un an. Mais elle n'achève jamais ses études. Elle revient à sa carrière d'actrice dans des films comme The Rocketeer (1991), Fièvre à Columbus University (1995) et Dark City (1998).
Bien qu'elle ait été dans le métier depuis l'adolescence, ce n'est qu'à l'âge de 30 ans qu'elle est « découverte » par la critique, notamment pour sa prestation dans Requiem for a Dream (2000) et Un homme d'exception (2001), pour lequel elle reçoit l'Oscar du meilleur second rôle féminin.
Jennifer Connelly à Central Park (New York), le 2 juin 2005. En 2003, elle incarne la scientifique Betty Ross dans le « blockbuster » Hulk, d'Ang Lee. Le film n'obtient qu'un succès mitigé de la part de la critique et du public. La même année, elle change d'univers en partageant la vedette avec Ben Kingsley dans le film dramatique House of Sand and Fog.
Depuis, elle apparaît dans des productions cinématographiques diverses, des grosses productions comme le film d'aventures Blood Diamond, ou celui de science-fiction Le Jour où la Terre s'arrêta, mais aussi des films indépendants, voire plus intimistes comme le film d'horreur Dark Water, les drames Little Children et Reservation Road, la comédie romantique Ce que pensent les hommes ou destiné aux enfants Cœur d'encre.
En 2009, elle double le personnage de 7 dans le film d'animation Numéro 9, puis joue aux côtés de son époux Paul Bettany le rôle d'Emma Darwin dans Création.
En 2014, elle est à l'affiche de Noé, pour lequel elle retrouve Darren Aronofsky, le réalisateur de Requiem for a Dream, et son partenaire dUn Homme d'Exception, Russell Crowe.