Jennifer Jason Leigh se dio a conocer en la famosa Aquel excitante curso, de Amy Heckerling, con Sean Penn, Phoebe Cates y Nicolas Cage. Seis años después ganó el Premio del Círculo de la Crítica de Cine de Nueva York y de la Sociedad de Críticos de Cine de Boston a la Mejor Actriz de Reparto por sus papeles en Última salida Brooklyn, de Uli Edel, y Miami Blues, de George Armitage.

Siempre escoge papeles arriesgados y complejos a los que se adapta de forma camaleónica. Ha trabajado con algunos de los directores más osados del momento. Ha tenido papeles protagonistas en Vidas cruzadas y Kansas City, ambas de Robert Altman; El gran salto, de Joel y Ethan Coen; Mujer blanca soltera busca..., de Barbet Schroeder; Existenz, de David Cronenberg; En carne viva/In the Cut, de Jane Campion; Washington Square, de Agnieszka Holland; Camino a la perdición, de Sam Mendes, y Georgia, de Ulu Grosbard, que coprodujo con el director, y por la que volvió a ser elegida Mejor actriz por el Círculo de la Crítica de Cine de Nueva York, ganó el Premio del Festival de Cine de Montreal y fue nominada por segunda vez a un Premio Espíritu Independiente.

Volvió a trabajar con Robert Altman cuando este produjo La Sra. Parker y el círculo vicioso, de Alan Rudolph, por la que fue nominada a un Globo de Oro, a un Premio Espíritu Independiente, y por la que ganó el Premio de la Sociedad Nacional de Críticos de Cine y de la Asociación de Críticos de Cine de Chicago a la Mejor Actriz.

Otras películas suyas son Hasta el límite/Rush, de Lili Fini Zanuck; Llamaradas, de Ron Howard; The Big Picture, de Christopher Guest; El maquinista, de Brad Anderson, y Palindromos, de Todd Solondz. En 2000 fue galardonada con el Premio a la Mejor Actriz del Festival de Tokio por su trabajo en la película Dogma The King Is Alive.

Debutó como guionista y realizadora en 2001 con la aclamada The Anniversary Party, que coescribió, coprotagonizó y codirigió con Alan Cumming. Fueron nominados a los Premios Espíritu Independiente a la Mejor Película Novel y Mejor Guión Novel, y recibieron una mención a la Excelencia Cinematográfica de la Junta Nacional de Críticos.

En Broadway ha trabajado en "Cabaret", dirigida por Sam Mendes, con Alan Cumming, y en "Proof", de David Auburn. En 2006 volvió a los escenarios de Nueva York con el estreno de "Abigail’s Party", de Mike Leigh, para The New Group, por la que fue nominada a un Drama Desk y un Lucille Lortell a la Mejor Actriz. También protagonizó la obra radiofónica "Anomalisa", escrita y dirigida por Charlie Kaufman, en el Royce Hall de UCLA.

Ha sido honrada con numerosas retrospectivas entre las que destacaremos las de la prestigiosa Filmoteca Americana, del Festival de Cine de Telluride y del Museo Americano de Cine de Nueva York. En 2002, la Sociedad Cinematográfica del Lincoln Center la galardonó con el Premio Young Friends of Film Honors.

Su trabajo más reciente es Synecdoche, New York, del guionista y director Charlie Kaufman, con Philip Seymour Hoffman y Catherine Keener.