Jennifer Lynn Connelly Catskill Mountainsban, New Yorkban született 1970. december 12-én. Anyja régiség-kereskedő, apja ruhagyári munkás volt. Brooklynban nevelkedett, a St. Ann iskolába járt. A család egyik jó barátja – aki a reklámszakmában dolgozott – javasolta szüleinek, hogy a 10 éves Jennifer jelentkezzen egy modellügynökségnél. Hamarosan több magazinhirdetésben is feltűnt, melyeket tv-reklámok követtek. Egy ilyen válogatás alkalmával figyelt fel rá egy filmes szakember, aki beajánlotta őt Sergio Leonénak, aki a Volt egyszer egy Amerika (1984) című filmjébe keresett táncost. A szerepet végül Connelly kapta. Bár csak pillanatokra tűnt fel, hamar kiderült tehetsége, és szerepet kapott Roald Dahl kultikus horror-antológiájának, a Meghökkentő mesék (1984) televíziós változatának egyik epizódjában.
1985-ben megkapta első komoly szerepét a Jelenség (1985) című filmben, amely Európában nagy siker lett, ám az Egyesült Államokban megbukott. Ezek után Japánban próbált szerencsét, ahol kislemezt jelentetett meg, és több televíziós reklámban is szerepelt. A nagy áttörést Dennis Hoppernek köszönheti, aki látta a Vannak lányok... (1988) című filmben, és szerepet ajánlott neki új krimijében, a Forró nyomonban (1990).
Ezt több olyan hollywoodi szuperprodukció követte, mint a Rocketeer (1991) vagy a Dark City (1998). A Rekviem egy álomért (2000) című drámájáért számos díjra is jelölték. Az átütő sikerekre azonban még egy évet várnia kellett. Ekkor mutatták be ugyanis a Russell Crowe nevével fémjelzett az Egy csodálatos elme (2001) című filmet, melyben a főszereplő feleségét alakította. A szakma több díjjal jutalmazta, megkapta többek között a legjobb női mellékszereplőnek járó Oscar-díjat.

Az ezredforulót követő években Leonardi DiCaprio oldalán láthattuk a Véres gyémántban (2006), játszott Darren Aronofsky biblia filmjében, a Noé-ban (2014), Robert Rodriguez Alita: A harc angyala (2019) című látványos sci-fijében, és az ő főszereplésével készült az azonos című kultfilm sorozat adaptációja, a Snowpiercer - Túlélők viadala (2019) is. Azóta a Top Gun: Maverickben láthattuk.

Connelly jelenleg New Yorkban él. A grunge zene nagy rajongója, idejének nagy részét családjával tölti.