Alba wilde sinds haar vijfde acteren. Ze nam haar eerste acteerlessen toen ze twaalf was. Een acteeragent tekende haar negen maanden later. Haar eerste filmwerk was een kleine rol in de film Camp Nowhere uit 1994. Aanvankelijk werd ze slechts voor twee weken ingehuurd, maar uiteindelijk werkte ze twee maanden omdat een andere actrice afhaakte.
Alba speelde als kind in twee nationale televisiecommercials. Een daarvan was voor Nintendo en de andere was voor J.C. Penney. Ze speelde Jessica in drie afleveringen van de Nickelodeon komedieserie The Secret World of Alex Mack. Alba was vervolgens Maya in de televisieserie Flipper. Haar moeder was badmeester en had Jessica leren zwemmen voordat ze kon lopen. Ze is een gecertificeerd duiker.
In 1998 acteerde ze in Brooklyn South, in twee afleveringen van Beverly Hills, 90210 en in een aflevering van The Love Boat: The Next Wave. Nadat Alba afstudeerde aan de middelbare school, studeerde ze acteren bij William H. Macy en zijn vrouw, Felicity Huffman, bij de Atlantic Theater Company.
Ze werd meer bekend in Hollywood in 1999 na haar optreden in de Drew Barrymore romantische komedie Never Been Kissed, en als het vrouwelijke hoofdpersonage in de 1999 komedie-horrorfilm Idle Hands. Ze werd gekozen uit een groep van 1200 actrices voor de rol van de genetisch gemanipuleerde soldaat in de FOX sci-fi televisieserie Dark Angel. De serie liep twee seizoenen van 2000 tot 2002. Alba werd genomineerd voor een Golden Globe voor haar werk in die serie. Toen ze trainde voor Dark Angel, moest Alba heel veel sporten en hongerde ze zichzelf uit. Ze zei: "Veel meisjes hebben eetstoornissen en ik ook. Ik raakte erdoor geobsedeerd." Ze had ook een obsessieve compulsieve stoornis en paniekaanvallen. Ze zei dat ze al sinds haar twaalfde voor zichzelf kookt, zodat ze niet zo dik zou worden als haar familieleden.
Enkele van Alba's bekendste filmrollen zijn die van danseres in Sin City en als Marvel Comics-personage Sue Storm, de Onzichtbare Vrouw in de Fantastic Four. Ze acteerde ook in Into the Blue in 2005 en Good Luck Chuck een paar jaar later. In 2008 speelde Alba haar eerste horrorrol in The Eye, een remake van het origineel uit Hong Kong. In februari was ze gastvrouw bij de ceremonie van de Academy of Motion Picture Arts and Sciences. Later dat jaar speelde ze in The Love Guru.
In 2010 verscheen Alba in vijf films, waaronder Little Fockers en The Killer Inside Me. Het jaar daarop verscheen ze in Spy Kids 4, een vervolg op Spy Kids.