Ha debuttato nel cult del 1984 C'era una volta in America di Sergio Leone, interpretando Deborah da bambina. Dopo una serie di film, tra i quali Phenomena, del regista Dario Argento, e Labyrinth - Dove tutto è possibile, con protagonista David Bowie, . , per il quale ha vinto l'Oscar alla miglior attrice non protagonista, il Golden Globe per la migliore attrice non protagonista e il BAFTA alla migliore attrice non protagonista. Tra i ruoli successivi vi sono il film drammatico La casa di sabbia e nebbia, il film Marvel Hulk, l'horror Dark Water, il film d'azione Blood Diamond - Diamanti di sangue, la commedia romantica La verità è che non gli piaci abbastanza e l'epico Noah.
È stata il volto pubblicitario per la casa di moda Balenciaga, nonché per i prodotti cosmetici Revlon.
Biografia Primi anni Nata a Cairo, nello stato di New York, precisamente sulle Catskill Mountains, è figlia unica di una madre antiquaria, Eileen, che gestiva un negozio a Woodstock, e di un padre, Gerard, proprietario di una piccola industria tessile, che in precedenza aveva lavorato nel settore dell'abbigliamento per bambini a New York. La famiglia possedeva un'altra proprietà a Bellport, su Long Island, nella contea di Suffolk. I nonni paterni erano rispettivamente di religione cattolica irlandese e ascendenza norvegese, mentre quelli materni erano ebrei statunitensi, appartenenti a famiglie provenienti dall'Impero russo e dalla Polonia. Sua madre era stata educata in una Yeshivah a New Rochelle. Quando aveva quattro anni, la famiglia si trasferì a Brooklyn Heights, nei pressi del Ponte di Brooklyn, dove frequentò una scuola privata, la Saint Ann's School, a eccezione del quarto anno, per via del trasferimento della famiglia a Woodstock, dove si è poi diplomata. Da bambina, a causa della sua iperattività, le fu diagnosticato il Disturbo da deficit di attenzione/iperattività (ADHD), una condizione per la quale segue ancora una terapia farmacologica.
Un dirigente pubblicitario amico di famiglia suggerì al padre che sua figlia, viste le particolari doti fisiche. sarebbe potuta diventare un'importante baby modella, ragion per cui consigliò di sottoporla a un provino presso un'agenzia di moda. Andarono così alla ricerca di un rappresentante, trovandolo nella prestigiosa agenzia Ford Models e, dopo la scuola, Eileen portò la figlia in città per le audizioni. All'età di dieci anni esordì lavorando come modella e sfondando nel campo della pubblicità per poi dedicarsi a spot televisivi. Di quei giorni afferma di non ricordare molto, a parte una réclame per la carta igienica della Scott.
Anni ottanta Iniziò a recitare per il cinema negli anni dell'adolescenza. Il lavoro la portò ovunque, in particolare in Europa; proprio mentre si trovava in Gran Bretagna, fece il debutto sullo schermo nel video musicale della canzone Union of the Snake dei Duran Duran. Nel 1982 ottenne una parte in un episodio della fortunata serie televisiva thriller Il brivido dell'imprevisto, sinistra trasposizione delle storie di Roald Dahl. Il primo ruolo cinematografico, piccolo ma significativo, fu quello della giovane ballerina Deborah Gelly, una parte da non protagonista affidatale da Sergio Leone su consiglio di un direttore di casting, nell'epico gangster movie C'era una volta in America, uscito nel 1984, ma girato in gran parte nel 1982, quando aveva undici anni. Robert De Niro vi interpreta Noodles e James Woods è Max; nel cast c'erano anche Joe Pesci, James Russo ed Elizabeth McGovern, quest'ultima nel ruolo di Deborah da adulta, l'amore della vita di Noodles. Leone aveva bisogno di una ragazza che interpretasse il ruolo di Deborah da giovane, qualcuna che fosse anche in grado di danzare con grazia. Connelly dichiarò che quella fu l'audizione più facile della sua vita. Il primo giorno danzò; il secondo giorno fece un incontro con Leone; il terzo giorno fece un incontro con lui e De Niro e fu ingaggiata. A quanto pare, il suo naso le fu d'aiuto: era proprio come quello della McGovern.
Lavorò in seguito a fianco di Daria Nicolodi e di Donald Pleasence nell'horror italiano Phenomena (1985) diretto da Dario Argento, nel quale interpretò un'adolescente statunitense in grado di comunicare con gli insetti, impegnata ad affrontare un feroce assassino in un ovattato collegio svizzero; in Sette minuti in Paradiso di Linda Feferman, del 1985, recita la parte di una studentessa modello che ospita in casa un amico d'infanzia problematico, con grande dispiacere del suo fidanzato.
Divenne presto conosciuta recitando al fianco di David Bowie in Labyrinth - Dove tutto è possibile, film fantasy del 1986 di Jim Henson, divenuto un cult nonostante all'epoca non avesse riscosso il successo sperato. In quella pellicola, ricopre il ruolo di una giovinetta che, frustrata dal dover fare da babysitter al fratello, chiama i goblin perché se lo portino via, compito che quegli esseri svolgono con cura. Questo film, diretto dal creatore dei Muppet, Jim Henson, e prodotto da George Lucas, vede la protagonista andare alla scoperta della chiave del labirinto del Re dei goblin per salvare il fratellino, incontrando, lungo il percorso, ogni sorta di bizzarri mostri e di animali fantastici. David Bowie, che aveva anche scritto alcune canzoni appositamente per il film, disse che la ragazza gli ricordava Elizabeth Taylor da giovane.
Seguì Some Girls (1988), il debutto da regista di Michael Hoffman, che avrebbe poi continuato con Restoration - Il peccato e il castigo e Un giorno, per caso. Si trattava di una bizzarra commedia nera nella quale lo studente Patrick Dempsey va in Québec per trascorrervi il Natale con la sua ragazza, Gaby D'Arc, da lei interpretata. All'arrivo, lei dichiara di non amarlo più, ma lui rimane nei paraggi per ricevere lezioni di vita e d'amore dalle avvenenti sorelle di Gaby, da suo padre, che passa la maggior parte del suo tempo nudo e da sua nonna, convinta di riconoscere nel ragazzo il defunto marito. Connelly ha continuato la sua carriera a livello internazionale interpretando una ballerina nel film italiano Étoile (1989).
Anni novanta A questo punto della carriera, arrivò una pausa e una seria valutazione della sua vita. "Ho cominciato a lavorare che ancora non avevo capito com'ero dentro", spiegò più tardi; "quando ero ancora un burattino che camminava. Alcuni dei film che ho girato... guardo indietro e rabbrividisco". Da allora si domandò se davvero avesse voluto essere un'attrice, se davvero intendeva crescere davanti a un pubblico. Decise di sì. Dopo aver frequentato discoteche non avendo l'età per farlo, iniziò a vestirsi di nero e ad ascoltare la musica dei Cure.
Con gli anni novanta arrivò il meglio e il peggio della sua precoce carriera. In The Hot Spot - Il posto caldo (1990), diretto da Dennis Hopper (che l'aveva notata in Some Girls), Don Johnson ricopre il ruolo di un ragazzo violento che giunge in auto in una piccola cittadina del Texas, vi trova un lavoro, pianifica una rapina in banca, attrae le attenzioni della moglie del capo, Virginia Madsen, e si innamora della giovane ragazza della contabilità interpretata da Jennifer Connelly. Ora che è una donna voluttuosa, riceve le attenzioni di molti critici maschi, soprattutto quando è seminuda. Parlando della sua occasionale nudità nel film, ha poi dichiarato: "Sono state esperienze formative, in passato ero molto riservata e timida. Ero una brava bambina e volevo esserlo, ma ciò non può portare a una riservatezza tale da essere d'ostacolo. È stato un processo graduale". Il film non fu comunque un successo né di critica né di spettatori.
Insieme a una serie di film commerciali di minor successo, seguì la pellicola Tutto può accadere, una commedia romantica scritta da John Hughes, che la vedeva nei panni di una ricca ragazza intrappolata per una notte in un negozio insieme a un ragazzo sempliciotto, interpretato da Frank Whaley. I due iniziano a comprendersi a vicenda, quando, improvvisamente, il negozio viene scassinato da due ladri. La rivista People accusò il fatto che il film strumentalizzasse il corpo dell'attrice e la campagna pubblicitaria confermò l'opinione. Tra le pubblicità c'era una silhouette di cartone, ripresa da una scena in cui Whaley sta guardando la ragazza in sella a un cavallo meccanico, con una didascalia che recitava: "Lui sta per avere la cavalcata della sua vita".
Fu definita, sulla copertina di Esquire del mese di agosto 1991, uno dei personaggi più amati dalle donne. Apparve accanto a Jason Priestley nel video musicale della canzone I Drove All Night di Roy Orbison nel 1992, entrata nella top ten quattro anni dopo la morte dell'artista. Su invito del padre che, pur non avendone mai ostacolato la carriera come modella desideroso che la figlia completasse gli studi, iniziò a frequentare un corso di letteratura inglese alla Yale University, presso la quale si laureò per poi passare due anni dopo all'Università di Stanford, dedicandosi al teatro classico e drammatico. In seguito si applicò nella recitazione sotto la guida di prestigiosi insegnanti come Roy London, Howard Fine e Harold Guskin. Divenne quindi famosa nel Sol Levante quando incise un singolo in Giappone intitolato Monologue of Love, nel quale l'attrice canta in giapponese e si concede - nel lato B - a un'intervista accompagnata da un sottofondo musicale.
Nel 1991 fu impegnata nel costoso film Le avventure di Rocketeer della Disney, recitando con il fidanzato di allora, Billy Campbell; l'esperienza non diede una svolta alla carriera, anzi, si rivelò un fallimento, tanto da indurla a prendersi un periodo di pausa. Il film, che narra di un giovane pilota che scopre uno zaino a razzo e lo usa per salvare la fidanzata e combattere contro gangster e nazisti negli anni trenta a Hollywood, avrebbe dovuto, nelle intenzioni, raggiungere il successo delle pellicole di Indiana Jones. Nonostante fosse godibile, il film fu surclassato al botteghino da Terminator 2 e Robin Hood - Principe dei ladri.
Recitò in The Heart of Justice, film per la televisione in cui Eric Stoltz ricopriva il ruolo di un giornalista coinvolto negli affari sospetti e probabilmente vergognosi di una facoltosa famiglia della Upper East Side. Jennifer era la bellissima figlia attorno a cui girava il sospetto e nel film c'erano anche delle comparsate di Hopper, Dermot Mulroney (con cui aveva recitato in Career Opportunities), Vincent Price e William H. Macy. Ci fu quindi D'amore e ombra, tratto dall'omonimo romanzo di Isabel Allende, dove recita al fianco di Antonio Banderas nella parte di Irene, una giornalista di famiglia benestante durante la dittatura cilena del generale Pinochet. Incarnò poi un altro personaggio distaccato, questa volta una collegiale lesbica, mentore di Kristy Swanson, nel film L'università dell'odio di John Singleton.
Nel film indipendente Far Harbor del 1996 recitò nella parte di una in un gruppo di sette giovani che trascorrono un fine settimana a Long Island. Questo film fu girato a Sag Harbour, una ex città baleniera vicina a Bellport, dove lei aveva passato parte della giovinezza. Un'altra sua coprotagonista è stata Marcia Gay Harden, che ha fatto ancora coppia con lei - vincendo un Oscar - nel film Pollock. Lo stesso anno, nel thriller Scomodi omicidi, interpretò la sirena che ammalia Nick Nolte e John Malkovich in una Los Angeles degli anni quaranta. A quel punto la sua vita cambiò: incontrato il fotografo David Dugan durante un'arrampicata a nord di New York, intraprese con lui un'attiva relazione che condusse la coppia ad affrontare la scalata dei Grand Tetons del Wyoming e del Monte Shasta in California. Dalla relazione nacque il piccolo Kai, il cui imminente arrivo fu da lei preannunciato a The Rosie O'Donnell Show. L'attrice afferma che l'arrivo di Kai la obbligò a fare il punto sulla sua vita e sulla carriera.