Em 1984, aos quatorze anos, Jennifer Connelly deu seus primeiros passos na telona de forma sensacional desde que interpretou uma jovem dançarina em Era uma vez na América, de Sergio Leone. Uma estreia de prestígio seguida, um ano depois, pelo papel principal de Phenomena, dirigido por Dario Argento. Sempre precoce e ativa, ela atuou em 1986 no filme de aventura Labirinto - A Magia do Tempo, co-estrelando com o cantor de rock David Bowie.

Em 1990, Jennifer Connelly se destacou em Hot Spot, dirigido por Dennis Hopper e no qual co-estrelou Don Johnson. Um ano depois, ela adquiriu um pouco mais de reconhecimento do público em geral graças ao seu papel em Rocketeer, de Joe Johnston. Mas foi realmente a partir de 1995 que a carreira da jovem tomou um rumo decisivo. Depois de atuar em Construindo uma Carreira , Jennifer Connelly conseguiu o papel feminino principal do filme de fantasia Cidade das Sombras, de Alex Proyas, no qual ela convive com Rufus Sewell, William Hurt e Kiefer Sutherland.

Em 2000, estrelou o filme Réquiem para um Sonho, de Darren Aronofsky, com o papel marcante de uma mulher mergulhada no inferno das drogas. No ano seguinte, foi a consagração: seu papel em Uma Mente Brilhante, de Ron Howard, que viu seu rosto Russell Crowe, lhe rendeu o Globo de Ouro e o Oscar de Melhor Atriz Coadjuvante. Em 2003, prova de grande ecletismo, Jennifer Connelly encarnou a personagem feminina principal do Hulk de Ang Lee, adaptação para as telonas da famosa história em quadrinhos.

No ano seguinte, Jennifer Connelly estrelou o fantástico filme Água Negra, um remake americano do filme de Hideo Nakata. Continua no olho do público com outros filmes como: Pecados ìntimos, Diamante de Sangue, Traídos Pelo Destino, O Dia em que a Terra Parou, Coração de Tinta e entre outros. 

Ela então compartilhou o pôster com Pierce Brosnan no Salvation Boulevard antes de se juntar a Vince Vaughn e Kevin James na comédia O Dilema. Em 2014, ela se apaixonou por Colin Farrell em Ligados pelo Amor e se reuniu com o diretor Darren Aronofsky para o peplum bíblico Noé. Em 2016, co-estrelou com Cillian Murphy no drama Marcas do Passado. Voltando-se pouco para o cinema, atua em blockbusters,  um adaptado de um mangá de sucesso Alita: Battle Angel e a sequência de Top Gun, Top Gun: Maverick.

Ao mesmo tempo, a nova-iorquina interpreta um dos principais personagens da série pós-apocalíptica Snowpiercer, adaptada do filme de Bong Joon-ho com Chris Evans.