Дженнифер Коннели родилась в Катскилл-Маунтинз, штат Нью-Йорк, в семье производителя одежды Джерарда Коннели и его жены Эйлин, антикварного дилера. Отец Дженнифер имел ирландские и норвежские корни, а мать была из еврейской семьи иммигрантов.

Джен выросла и жила в районе Бруклинские высоты прямо напротив Бруклинского моста, за исключением четырех лет, когда ее родители жили в Вудстоке.
Вернувшись на Бруклин Хайтс, актриса начала посещать школу Святой Анны. Благодаря близкому другу семьи, который был рекламщиком, в 10 лет Дженнифер попала на кастинг моделей. Она начала появляться в рекламе газет и журналов (среди них журнал «Seventeen») и вскоре стала сниматься для телевизионных рекламных роликов. Однажды ее увидел кастинг директор и познакомила с Серджио Леоне, она тогда искал молодую девушку в его гангстерскую эпопею «Однажды в Америке» (1984). Несмотря на то, что на экране она появилась всего на несколько минут, это было достаточно для того, чтобы раскрыть ее талант. Ее следующей ролью была роль в эпизоде британской антологии ужасов «Непридуманные истории».

После фильма Леоне, мастер ужасов Дарио Ардженто взял играть ее первую главную роль в своем триллере «Необъяснимые явления» (1985). Фильм сделал кассу в Европе, но к сожалению в американском прокате не имел широкую дистрибуцию. Примерно в то же время, Дженнифер Коннели появилась с клипе Роя Орбисона «Drove All Night», где роль второго плана исполнил Джейсон Пристли. В середине 80-х она выпустила сингл под названием «Монолог о любви / Monologue of Love», в котором Коннели на японском пела очаровательные песни в полуклассическом инструментальном сопровождении. Также она снималась для японских рекламных роликов.
Позже она поступила в Йельский университет, а спустя два года в Стэнфилд. Она обучалась театральному мастерству и импровизации.

В конце 80-х она снялась в фильмах «Звезда» (1989), «Некоторые девчонки» (1988) и «Лабиринт» (1986 ). Ее карьера немного затухла, пока Деннис Хоппер не снял ее в картине «Игра с огнем» (1990). Фильм получил разные отзывы, но кассового успеха не было. Амбициозный проект Touchstone «Ракетчик» (1991) также провалился в прокате.

В 1998 году Коннелли получила роль жены главного героя в визуально-потрясающей научно-фантастической феерии Алекса Пройаса «Темный город», несмотря на то, что картина стала культовой, никаких кассовых рекордов не было. Благодаря этому фильму Дженнифер заключила контракт с Fox на съемки в телесериале «The $treet». Прорывом для Дженнифер Коннелли стал фильм Даррена Аранофски «Реквием по мечте» (2000), где она сыграла девушку главного героя Джареда Лето. Актриса получила положительные отзывы критиков. Еще большую известность актрисе принесла роль в драме Рона Ховарда «Игры разума». За роль жены математика Джона Нэша, который страдал психическим заболеванием,  Коннелли получила премию Золотой Глобус, BAFTA, AFI и Оскара за роль второго плана.

Сейчас Дженнифер Коннелли живет в Нью-Йорке. Актриса свободно говорит на итальянском и французском языках. Она любит физические нагрузки: плавание, гимнастика и езда на велосипеде. Она также любит занятия на свежем воздухе – кемпинг, пеший туризм и просто прогулки. Ее интересует квантовая физика и философия. Она любит лошадей, группу Pearl Jam, SoundGarden и Jesus Jones. На шее носит небольшое фото Далай-ламы. Ее любимый цвет кобальтовый, зеленый и «очень бледно-зелено-серый, как цвет моря». Любит рисовать.

От  фотографа Дэвида Дагана Дженнифер в 1997 году родила сына Кая. На съемках «Игры разума» познакомилась с актером Полом Беттани и вышла за него замуж. У пары двое детей: сын Стеллан Беттани и дочка Агнес Ларк, которая родилась 31 мая 2011 года.