Capshaw havde en mindre rolle i dramaet The Locusts (1997), hvor hun spillede med sin mor, da hun var 19 år gammel. Hun havde efterfølgende en rolle i Adam Rifkins independentfilm Denial (1998), og i slasherfilmen Valentine fra 2001 spillede Capshaw Dorothy Wheeler. Derefter havde hun en mindre rolle i Minority Report (2002) og en hovedrolle i Edward Burns’ The Groomsmen (2006).
I 2009 blev hun fast medvirkende i det medicinske drama Grey’s Anatomy. Det blev første gang rapporteret i december 2008, at Capshaw ville slutte sig til skuespillerne i Grey’s Anatomy som børnekirurgen Arizona Robbins, for en periode på flere episoder. Oprindeligt var det planlagt, at hun skulle medvirke i tre episoder af seriens femte sæson, men serieskaber Shonda Rhimes forlængede senere Capshaws kontrakt til at medvirke i alle sæsonens resterende episoder og blev fastansat i den sjette sæson.
Hun blev etableret som en kærlighedsinteresse for den ortopædkirurgiske læge Callie Torres (Sara Ramirez). Seriens skaber Shonda Rhimes var tilfreds med kemien mellem Robbins og Torres og citerede tilføjelsen af Capshaw til castet som et element i sæsonen, som hun var mest stolt af. I forbindelse med den nye tilføjelse sagde Rhimes: “Jeg elsker Jessica Capshaw, og når jeg siger kærlighed, mener jeg kærlighed. Hun kunne ikke være en mere vidunderlig person, og jeg føler, at kemien mellem Arizona og Callie føles som kemien mellem Meredith (Ellen Pompeo) og Derek (Patrick Dempsey) for mig. Jeg synes, de er dejlige at se på.” De første reaktioner fra medierne på karakteren var positive. Matt Mitovich fra TV Guide beskrev hende som en “fanfavorit”, og Chris Monfette fra IGN roste tilføjelsen af “friske, nye karakterer”, såsom Robbins i løbet af sæsonen. I marts 2018 forlod Capshaw Grey’s Anatomy, idet producenterne angav kreative årsager. Capshaw skrev en erklæring på Twitter, hvor hun fremhævede betydningen af hendes karakter: “Hun var et af de første medlemmer af LGBTQ-samfundet til at blive repræsenteret i en fast rolle i en serie på netværks-tv. Hendes indflydelse på verden er permanent og for evigt.”