Maggie Gyllenhaal nació el 16 de noviembre de 1977, en el Lower East Side de Manhattan en la ciudad de Nueva York. Sus padres, Naomi Foner y Stephen Gyllenhaal, son cineastas y su hermano es el actor Jake Gyllenhaal.

Debutó en la pantalla grande en El país del agua (1992). Durante su adolescencia realizó algunos papeles pequeños pero hizo una pausa para estudiar literatura en la Universidad de Columbia y más tarde entró a la Real Academia de Arte Dramático de Londres.

Continuó su carrera con algunos papeles secundarios en Cecil B. Demente (2000) y Donnie Darko (2001). Su papel en Secretaria (2002) le valió una nominación al Golden Globe. Siguió con proyectos como 40 días y 40 noches (2002), Confesiones de una mente peligrosa (2002), Adaptación (El ladrón de orquídeas) (2002), y La sonrisa de Mona Lisa (2003), entre otras películas.

Recibió su segunda nominación al Globo de Oro por su papel en Sherrybaby (2006), a este papel le siguieron otros igual de destacados en cintas como World Trade Center (2006), Más extraño que la ficción (2006) y El caballero oscuro (2008). En 2009, su actuación en Corazón rebelde (2009) le valió su primera nominación al Oscar. Desde entonces la hemos visto en proyectos como La niñera mágica y el Big Bang (2010), Hysteria (2011) y No nos moverán (2012). Entre sus últimos proyectos están la cinta The Kindergarten Teacher  y la serie de televisión The Deuce.

Gyllenhaal tiene dos hijos con su esposo Peter Sarsgaard, con quien se casó en 2009.