Американский киноактер, брат актрисы Мэгги Джилленхол.
Родился в семье кинематографистов: режиссера Стивена Джилленхола и сценаристки Наоми Фонер, происходившей из семьи эмигрантов из России и Латвии. Сниматься в кино начал с 11 лет, в том числе появлялся в эпизодах фильмов своего отца. Окончил среднюю школу при Гарвардском университете в Лос-Анжелесе, затем поступил в Колумбийский университет, который бросил через два года учебы ради актерской карьеры.
Первую главную роль получил в картине «Октябрьское небо», затем снялся в фильме «Донни Дарко», который принес ему популярность. В этом же фильме сыграла Мэгги Джилленхол, причем по сценарию Джейк и Мэгги были братом и сестрой, как и в реальной жизни. Большой успех к актеру пришел после съемок в лентах «Послезавтра», «Морпехи» и «Горбатая гора». За последнюю картину Джилленхол получил номинацию на «Оскар» и престижную награду BAFTA. Известен также по ролям в фильмах «Зодиак», «Принц Персии: Пески времени» и «Исходный код». В 2015 году был номинирован на «Золотой глобус» за роль в фильме «Стрингер».
