Мэгги Джилленхол родилась в Лос-Анджелесе 16 ноября 1977 года в семье сценаристки Наоми Фонер и режиссера Стивена Джилленхола. В шоу бизнесе занят и родной брат Мэгги - актер Джейк Джилленхол.
Изучение восточных религий и литературы в Колумбийском университете совмещала с выступлениями в местном театре, благодаря чему на момент получения диплома в 1999 году некоторый актерский опыт у нее уже имелся. Кроме того актерскому мастерству Джилленхол обучалась и в Королевской академии драматического искусства в Лондоне.
Сложно назвать стандартными те голливудские картины, в которых Джилленхол снималась на начальном этапе своей карьеры. Уже после роли гримерки-сатанистки в комедии Джона Уотерса «Безумный Сесил Б.» (2000) о Мэгги в Голливуде заговорили как об актрисе, обладающей достаточным актерским мастерством для того чтобы исполнить роль какой угодно глубины. Кинодебют актрисы состоялся восьмью годами ранее в драме «Водная страна» (1992) Стефена Джилленхала. Другими, не менее необычными и яркими работами, сыгранными актрисой в этот период стали роли в картинах: «Донни Дарко» (2001), «Адаптация» (2002), «Признания опасного человека» (2002).
Однако наибольшее уважение в голливудских кругах актриса заслужила ролью в комедийной мелодраме Стивена Шейнберга «Секретарша» (2002), за блестящее исполнение которой в 2003 году впервые была номинирована на кинопремию «Золотой Глобус». Кроме того получила приз чикагских кинокритиков как наиболее перспективная актриса и награду кинокритиков Бостона за лучшую женскую роль. Сама же картина за оригинальность была удостоена специального приза жюри на фестивале независимых картин в «Санденсе».
В числе наиболее успешных картин с участием актрисы вышедших с тех пор: «40 дней и 40 ночей» (2002), «Улыбка Моны Лизы» (2003), «Дом - монстр» (2006), «Башни-близнецы» (2006) и конечно же «Темный рыцарь» (2008) в котором Мэгги исполнила роль гордой и своенравной возлюбленной Бэтмена.
Актриса замужем за актером Питером Сарсгаардом («Иллюзия полета», «Морпехи») с которым познакомилась на съемках малобюджетного фильма «В руках Божьих», который так и не вышел в прокат. От Питера, в 2006 году в возрасте 28 лет, родила своего первого и на данный момент единственного ребенка - дочку Рамону.