Née en 1977 à New York, Maggie Gyllenhaal sort diplômée en littérature de l’Université de Columbia à 21 ans. Après avoir passé un été à la Royal Academy of Dramatic Arts de Londres, elle fait ses débuts au cinéma en 1992 sous la direction de son père, Stephen Gyllenhaal, dans Waterland. Elle continue de collaborer avec lui dans plusieurs téléfilms, ainsi que dans les longs métrages A Dangerous Woman (1993) et Homegrown (1998).

Proche de sa famille, elle donne la réplique à son frère, Jake Gyllenhaal, dans l’obscur Donnie Darko (2001) de Richard Kelly, et se fait ainsi connaître du public. Mais c’est en incarnant une jeune masochiste amoureuse de son patron, dans La Secrétaire de Steven Shainberg, qu’elle s’impose dans le milieu. Après un rôle dans la comédie teenage 40 jours et 40 nuits (2002), elle passe à un cinéma plus indépendant en participant au film de Spike Jonze, Adaptation (2003) et à celui de George Clooney, Confessions d’un homme dangereux (2003).

L’année suivante, elle rejoint le casting très féminin du Sourire de Mona Lisa et donne la réplique à Julia Roberts et Kirsten Dunst. En 2006, elle participe à la série de courts métrages Paris, je t’aime sous la direction d’Olivier Assayas. Maggie Gyllenhaal s’essaye ensuite au cinéma d’animation en prêtant sa voix et son physique au personnage de Zee la baby-sitter punk de Monster House. La même année, elle rejoint le casting du drame d’Oliver Stone sur les attentats du 11 septembre 2001, World Trade Center, avant de compléter le quatuor de Trust The Man aux côtés de Billy Crudup, David Duchovny et Julianne Moore. Mère d’une petite fille, née de son union avec l’acteur Peter Sarsgaard, elle ne s’éloigne pas pour autant des studios et joue dans la comédie de Marc Forster, aux côtés de Will Ferrel et Emma Thompson, L’Incroyable Destin de Harold Crick.