Alba wollte handeln, seit sie fünf Jahre alt war. Im Alter von zwölf Jahren nahm sie ihren ersten Schauspielunterricht. Ein Schauspielagent nahm sie neun Monate später unter Vertrag. Ihre erste Filmarbeit war eine kleine Rolle in dem Film Camp Nowhere aus dem Jahr 1994. Zuerst wurde sie nur für zwei Wochen engagiert, arbeitete aber schließlich zwei Monate lang, weil eine andere Schauspielerin ausstieg.
Als Kind spielte Alba in zwei landesweiten Fernsehspots mit. Einer davon war für Nintendo und der andere für J.C. Penney. Sie spielte Jessica in drei Episoden der Nickelodeon-Comedy-Serie The Secret World of Alex Mack. Alba war damals Maya in der Fernsehserie Flipper. Ihre Mutter war Rettungsschwimmerin und hatte Jessica das Schwimmen beigebracht, bevor sie laufen konnte. Sie ist eine zertifizierte Taucherin.
1998 spielte sie in Brooklyn South, in zwei Episoden von Beverly Hills, 90210 und in einer Episode von The Love Boat: The Love Boat: The Next Wave. Nachdem Alba die High School abgeschlossen hatte, studierte sie Schauspiel bei William H. Macy und seiner Frau Felicity Huffman an der Atlantic Theater Company.
Berühmter wurde sie 1999 in Hollywood, nachdem sie in der romantischen Komödie Never Been Kissed von Drew Barrymore und als weibliche Hauptfigur in dem Komödien-Horrorfilm Idle Hands von 1999 mitgespielt hatte. Sie wurde aus einer Gruppe von 1.200 Schauspielerinnen für die Rolle der genmanipulierten Soldatin in der FOX-Sci-Fi-Fernsehserie Dark Angel ausgewählt. Die Serie lief über zwei Staffeln von 2000 bis 2002. Alba wurde für ihre Arbeit an dieser Serie für einen Golden Globe nominiert. Als sie für Dark Angel ausgebildet wurde, musste Alba sehr viel trainieren, und sie hungerte sich selbst aus. Sie sagte: "Viele Mädchen haben Essstörungen, und ich auch. Ich wurde davon besessen." Sie hatte auch eine Zwangsneurose und Panikattacken. Sie sagte, sie koche seit ihrem zwölften Lebensjahr für sich selbst, damit sie nicht so dick werde wie ihre Familienmitglieder.
Einige von Alba's berühmtesten Filmrollen sind eine Tänzerin in Sin City und als Marvel Comic-Figur Sue Storm, die unsichtbare Frau in den fantastischen Vier. Außerdem spielte sie 2005 in Into the Blue und ein paar Jahre später in Good Luck Chuck mit. Im Jahr 2008 spielte Alba ihre erste Horrorfilmrolle in The Eye, einem Remake des Originals aus Hongkong. Im Februar war sie Gastgeberin einer Zeremonie der Academy of Motion Picture Arts and Sciences. Später im Jahr spielte sie die Hauptrolle in The Love Guru.
Im Jahr 2010 spielte Alba in fünf Filmen mit, darunter Little Fockers und The Killer Inside Me. Im folgenden Jahr spielte sie in Spy Kids 4, einer Fortsetzung von Spy Kids.