California sınırları içindeki Sonoma yakınlarında doğdu. Jerri Renee Chastain ile Michael Monasterio'nun evlilik dışı ilişkisinden doğan Chastain, annesi, üvey babası ve 4 kardeşiyle birlikte Sacramento'da büyüdü. Dokuz yaşındayken dansı keşfetti ve onüç yaşında bir dans topluluğuna katıldı. Liseyi bitiremedi, ancak San Francisco'da oynanan profesyonel bir Romeo ve Juliet temsilinde Juliet rolünü kazanması kariyerinin şeklini değiştirdi. Bunun sayesinde prestijli oyunculuk okulu Juillard'a kabul edildi. 2003'te buradan mezun oldu ve sonrasında çeşitli dizi ve tiyatrolarda yer almaya başladı.

2008 yapımı Jolene filmiyle sinema filmlerinde yer almaya da başladı. Viola Davis, Octavia Spencer, Emma Stone gibi oyuncularla çalıştığı The Help filmiyle 2012'de ilk Oscar adaylığını kazandı. 2012'de Oscarlı Zero Dark Thirty'deki Maya rolüyle bu kez En İyi Kadın Oyuncu dalında Oscar adayı olurken Altın Küre'nin de sahibi oldu. 2014'te Christopher Nolan'ın Interstellar'ında, 2015'te Marslı'da, 2016'da Avcı: Kış Savaşı filminde oynadı. Avcı filminde Chris Hemsworth, Emily Blunt ve Charlize Theron'la başrolleri paylaştı. 2017 yapımı Molly's Game filmindeki Molly Bloom rolüyle bir Altın Küre adaylığı daha kazandı.

2012'de birlikte olmaya başladığı İtalyan Gian Luca Passi de Preposulo ile 2017'de evlendi.