Connelly 1970'de New York'ta doğdu. Babası Gerard tekstilci, annesi Ilene de antika tüccarıydı. Babası İrlanda kökenli, annesi ise Yahudi kökenli olan Connelly, küçük yaşlarda fotomodellik yapmaya ve reklam filmlerinde rol almaya başladı. 1984'te Sergio Leone'nin epik filmi Bir Zamanlar Amerika'da filminde rol aldı. 2001 yılında Akıl Oyunları (A Beautiful Mind) filminde canlandırdığı Alicia Nash karakteri ile Oscar ve Altın Küre ödüllerini kazandı. Ayrıca 2007 yapımı Kanlı Elmas filminde rol aldı. 2014 yapımı bir başka Darren Aronofsky filmi Nuh: Büyük Tufan'da oynadı. Ayrıca American Pastoral, Alita: Savaş Meleği gibi filmlerde yer aldı.
Jennifer Connelly, 1990'lı yıllarda birlikte olduğu Paul Dugan'dan 1997 doğumlu Kai adlı bir erkek çocuğa sahiptir. Akıl Oyunları filminin setinde tanıştığı İngiliz aktör Paul Bettany ile 2003'te evlenmiş, aynı Stellan adlı bir oğlu ve 2011'de Agnes Lark adlı bir kızı dünyaya gelmiştir. Oğlu Stellan'ın isim babası, ünlü İsveçli aktör Stellan Skarsgård'dır.
