Sorella del famoso attore Jake e figlia del regista Stephen, Maggie Gyllenhaal (classe 1977) ha fatto le sue prime apparizioni cinematografiche a soli 15 anni in alcuni film diretti dal padre.
Il primo ruolo importante sarà però nel cult movie "Donnie Darko" di Richard Kelly del 2001, dove recita accanto al fratello Jake.
L'anno seguente lavora in "Confessioni di una mente pericolosa" di George Clooney, ne "Il ladro di orchidee" di Spike Jonze e soprattutto in "Secretary" di Steven Shainberg, grazie al quale si fa conoscere a critica e pubblico.
Nel 2005 si fa notare per ragioni extra-cinematografiche quando, nel corso di un'intervista, sostiene che gli Stati Uniti sono stati in parte responsabili degli attentati dell'11 settembre: dichiarazione per la quale venne presa di mira dai giornali americani per diverso tempo.
Nel 2006 recita, beffardamente, in "World Trade Center" di Oliver Stone, che forse la scelse proprio per quella frase provocatoria.
Nel 2008 un altro ruolo importante è quello di Rachel ne "Il cavaliere oscuro", dove veste i panni che erano di Katie Holmes nel precedente "Batman Begins".
In "Crazy Heart", che le ha fatto ottenere la sua prima nomination agli Oscar, recita a fianco di Jeff Bridges
