Fils du réalisateur Stephen Gyllenhaal et de la scénariste et productrice Naomi Foner, frère de
Maggie Gyllenhaal, actrice pour John Waters,
Spike Jonze,
Oliver Stone,
Christopher Nolan et connue pour son rôle dans
La Secrétaire (
Steven Shainberg, 2001), Jake Gyllenhaal naît dans une famille qui l'expose naturellement très tôt au cinéma. Il fait ainsi sa première apparition à l'écran à onze ans dans
La vie, l'amour... les vaches (
City Slickers, Ron Underwood, 1991) en jouant le fils de
Billy Crystal. Tout en participant régulièrement à diverses auditions pour lesquelles il est souvent pris mais où ses parents refusent les rôles pour qu'il ne s'absente pas trop longtemps du foyer, il joue à deux reprises pour son père et avec sa soeur dans
Une femme dangereuse (1993) et
L'Héritage de Malcom (1999). Diplômé de la Harvard-Westlake School à Los Angeles, Jake s'inscrit ensuite à l'Université de Columbia à New York pour étudier la philosophie et les religions orientales, mais abandonne après deux ans pour se concentrer sur son métier d'acteur. Il obtient ainsi son premier rôle principal avec
Ciel d'octobre (Joe Johnston,2000), l'histoire d'un père mineur et son fils fasciné par la conquête spatiale au moment où la Russie met en orbite son premier Spoutnik. Ce film adapté d'une histoire vraie, fleurant facilement avec les bons sentiments et l'académisme, permet néanmoins au jeune acteur de se faire remarquer.
En 2001, Gyllenhaal devient le héros de
Donnie Darko, premier film, indépendant, du jeune
Richard Kelly. Si le film n'explose pas les compteurs du box office, sa carrière en vidéo et sa réputation en font rapidement un objet culte remportant divers prix en festival. L'acteur y interprète un teenager victime de visions étranges après avoir frôlé la mort. Il ne tarde alors pas a enchaîné les rôles : comédies en tous genres avec
Bubble Boy (Blair Hayes, Id),
Lovely et amazing (Nicole Holofcener, Id) et
The Good Girl ; road movie homo-érotique avec
Jared Leto dans
Déroute (
Highway, James Cox, 2002) ; romance aux côtés des vétérans
Susan Sarandon et
Dustin Hoffman dans
Moonlight Mile (Brad Silberling, Id) ; film catastrophe écolo-rigolo avec
Le Jour d'après (
Roland Emmerich, 2004). Puis c'est la consécration en 2005 grâce à
Ang Lee lui offrant l'un des deux rôles principaux de
Brokeback Mountain. Cette love story entre deux cow-boys dans l'Amérique des sixties rafle un nombre de prix invraisemblable et rentre aussitôt dans l'histoire du cinéma. La même année il est à l'affiche du matheux
Proof (
John Madden, Id), avec
Gwyneth Paltrow et
Anthony Hopkins ; ainsi que de
Jarhead - la fin de l'innocence (
Sam Mendes, Id), film un peu frimeur sur la première guerre du Golfe en 1991.
Deux ans plus tard il est le journaliste opiniâtre et toujours à la bourre du chef d'œuvre de
David Fincher,
Zodiac (2007), avec
Mark Ruffalo et
Robert Downey Jr ; puis, avec sa nouvelle girlfriend,
Reese Witherspoon, il est l'un des héros du thriller politique
Détention Secrète (
Gavin Hood, Id), une diatribe sans profondeur sur les « renditions », les enlèvements de terroristes présumés. Devenu depuis le succès de
Brokeback Mountain un sex seymbol habitué des éternelles top list des magazines ; célèbre pour avoir été le boyfriend de
Kirsten Dunst ; convoité pendant un temps pour remplacer un
Tobey Maguire fatigué sur
Spider-Man 2 (la rumeur veut qu'il pourrait le remplacer pour
Spider-Man 4), Gyllenhaal est surtout un militant démocrate convaincu qui n'hésite pas à le faire savoir par divers moyens : vidéo, visite des campus, soutien à la campagne de John Kerry en 2004. Un investissement moral et politique qu'on retrouve parfois dans ses films, tel que
Brothers (
Jim Sheridan, 2008), un remake américain du film danois de
Susanne Bier, sur l'histoire d'un jeune homme consolant la famille de son grand frère envoyé en Afghanistan. Gyllenhaal est également à l'affiche du cinquième film de David O. Russel,
Nailed (2009), une comédie romantique avec
Jessica Biel et
Catherine Keener ; puis, variant les genres, il devient ensuite le héros de
Prince of Persia: Les sables du temps (
Mike Newell, Id), adaptation du célèbre jeu vidéo, ainsi que du nouveau film de
Doug Liman, célèbre pour avoir lancé la trilogie Jason Bourne.