Alba ha voluto agire fin da quando aveva cinque anni. Ha frequentato la sua prima lezione di recitazione a dodici anni. Un agente di recitazione l'ha ingaggiata nove mesi dopo. Il suo primo lavoro cinematografico è stato un piccolo ruolo nel film del 1994 Camp Nowhere. All'inizio fu assunta solo per due settimane, ma finì per lavorare per due mesi perché un'altra attrice si ritirò.
Alba ha recitato in due spot televisivi nazionali quando era bambina. Uno di questi era per Nintendo e l'altro per J.C. Penney. Ha interpretato Jessica in tre episodi della serie comica di Nickelodeon The Secret World of Alex Mack. Alba era poi Maya nella serie televisiva Flipper. Sua madre era un bagnino e aveva insegnato a Jessica a nuotare prima che potesse camminare. Lei è un subacqueo certificato.
Nel 1998 ha recitato a Brooklyn South, in due episodi di Beverly Hills, 90210 e in un episodio di The Love Boat: The Next Wave. Dopo il diploma di liceo, Alba ha studiato recitazione con William H. Macy e sua moglie, Felicity Huffman, alla Atlantic Theater Company.
È diventata più famosa a Hollywood nel 1999 dopo aver recitato nella commedia romantica Never Been Kissed di Drew Barrymore e come protagonista femminile nel film commedia-orror del 1999 Idle Hands. È stata scelta da un gruppo di 1.200 attrici per il ruolo del soldato geneticamente modificato, nella serie televisiva di fantascienza FOX Dark Angel. La serie è durata due stagioni, dal 2000 al 2002. Alba è stata nominata per un Golden Globe per il suo lavoro su quella serie. Quando si è allenata per essere in Dark Angel, Alba ha dovuto esercitare molto e si è affamata. Ha detto: "Molte ragazze hanno disturbi alimentari e anch'io li ho avuti. Ne sono diventata ossessionata". Aveva anche un disturbo ossessivo compulsivo e attacchi di panico. Ha detto che cucina per sé stessa dall'età di dodici anni per non diventare grassa come i suoi familiari.
Alcuni dei ruoli cinematografici più famosi di Alba sono una ballerina in Sin City e nel ruolo del personaggio della Marvel Comics Sue Storm, la donna invisibile dei Fantastici Quattro. Ha recitato anche in Into the Blue nel 2005 e Good Luck Chuck qualche anno dopo. Nel 2008, Alba ha interpretato il suo primo ruolo da film horror in The Eye, un remake dell'originale di Hong Kong. A febbraio, ha ospitato la cerimonia dell'Accademia delle arti e delle scienze cinematografiche. Più tardi, nel corso dell'anno, ha recitato in The Love Guru.
Nel 2010, Alba è apparsa in cinque film tra cui Little Fockers e The Killer Inside Me. L'anno successivo è apparsa in Spy Kids 4, un sequel di Spy Kids.
