Il baigne dans le cinéma depuis sa plus tendre enfance puisque son père Stephen Gyllenhaal est un réalisateur et sa mère Naomi Foner Gyllenhaal est scénariste (nommée aux Oscars en 1989). Sa soeur Maggie est également une actrice reconnue qui joue à ses côtés dans Une femme dangereuse (1993) et dans Donnie Darko (2002). Sa marraine n'est autre que Jamie Lee Curtis.
Jake descend donc du côté paternel de la famille Gyllenhaal, appartenant à la noblesse suédoise, et du côté maternel, de la famille Achs, des juifs-américains de New York. Il a été élevé dans la religion juive et a passé sa Bar Mitzvah dans un refuge pour SDF selon le souhait de ses parents, afin qu'il prenne conscience de son mode de vie privilégié.

Jake a passé son diplôme de fin d'études secondaires au lycée de Harvard-Westlake en 1998 et a étudié pendant deux ans à l'Université de Columbia, avant de quitter les études pour mieux se consacrer à sa carrière d'acteur.
Il a fait ses débuts à l'écran à l'âge d'onze ans, où il jouait le fils de Billy Crystal dans La Vie, l'Amour, les Vaches de Ron Underwood (1991). Mais, c'est en obtenant le rôle-titre, dans le film désormais devenu culte, Donnie Darko de Richard Kelly (2002), qu'il a véritablement été révélé. Cette interprétation — d'un adolescent schizophrène pris d'hallucinations — a été encensée par les critiques, et lui a même rapporté une nomination aux Independent Spirit Awards.
Rapidement, il s'est établi comme une des étoiles montantes d'Hollywood, en enchaînant des rôles atypiques dans des longs-métrages tels que Lovely and Amazing de Nicole Holofcener (2001), Bubble Boy de Blair Hayes (2001), et The Good Girl de Miguel Arteta (2003), où il partageait l'affiche avec Jennifer Aniston. Toujours en 2002, il a fait ses débuts au théâtre, dans la pièce londonienne de Kenneth Lonergan, This is Our Youth qui a également enthousiasmé les critiques.
En 2004, il est à l'affiche du film Le Jour d'après de Roland Emmerich, aux côtés de Dennis Quaid, qui devint un énorme succès commercial.
L'année 2005 s'est avérée être chargée pour le jeune acteur, où il a tourné trois films : Irréfutable, avec Anthony Hopkins et Gwyneth Paltrow ; Jarhead, la fin de l'innocence de Sam Mendes (2006) et enfin Le Secret de Brokeback Mountain de Ang Lee (2005) où il interprète le rôle d'un cow-boy bisexuel Jack Twist au côté de Heath Ledger. Le film a connu un succès critique et public retentissant, faisant de Jake un des acteurs les plus prometteurs de sa génération. Sa performance lui a permis de remporter le BAFTA du meilleur second rôle ainsi qu'une nomination aux Oscars dans cette même catégorie.
En 2007 dans Zodiac de David Fincher, il incarne Robert Graysmith, auteur du best-seller Zodiac. La même année, il fait partie du casting du thriller américain Détention secrète de Gavin Hood avec Reese Witherspoon, Meryl Streep et Alan Arkin.
En 2010, il est à l'affiche du film Brothers de Jim Sheridan avec Tobey Maguire et Natalie Portman. Il est également l'acteur principal de Prince of Persia : Les Sables du temps de Mike Newell, l'adaptation cinématographique du célèbre jeu vidéo du même titre.

On l'apercoit dans le clip vidéo Giving Up The Gun du groupe Vampire Weekend on peut y voir aussi le chanteur Joe Jonas des Jonas Brother ainsi que Lukas Benard et d'autres figurants inconnus.

Source : Wikipedia.org