Capshaw hatte im Alter von neunzehn Jahren eine kleine Rolle in dem Drama The Locusts (1997), in dem auch ihre Mutter mitspielte. Anschließend hatte sie eine Rolle in Adam Rifkins Independent-Film Denial (1998). 2001 spielte Capshaw in dem Slasher-Film Valentine die Dorothy Wheeler. Danach hatte sie eine kleine Rolle in Minority Report (2002) und eine Hauptrolle in Edward Burns‘ The Groomsmen (2006).
Im Jahr 2009 wurde sie eine feste Größe in der Arztserie Grey’s Anatomy. Im Dezember 2008 wurde erstmals berichtet, dass Capshaw als Kinderchirurgin Arizona Robbins für mehrere Episoden zu Grey’s Anatomy stoßen würde. Ursprünglich sollte sie in drei Episoden der fünften Staffel der Serie auftreten, doch Serienschöpferin Shonda Rhimes verlängerte Capshaws Vertrag später so, dass sie in allen verbleibenden Episoden der Staffel zu sehen sein würde und in der sechsten Staffel zu einem festen Bestandteil der Serie wurde.
Sie wurde als Love-Interest für die orthopädische Chirurgin Callie Torres (Sara Ramirez) eingeführt. Serienschöpferin Shonda Rhimes war mit der Chemie zwischen Robbins und Torres zufrieden und nannte die Aufnahme von Capshaw in die Besetzung als ein Element der Staffel, auf das sie besonders stolz war. Über den Neuzugang sagte Rhimes: „Ich liebe Jessica Capshaw, und wenn ich Liebe sage, dann meine ich auch Liebe. Sie könnte kein wundervollerer Mensch sein, und ich habe das Gefühl, dass die Chemie zwischen Arizona und Callie ähnlich ist wie die zwischen Meredith (Ellen Pompeo) und Derek (Patrick Dempsey) für mich. Ich finde es herrlich, ihnen zuzusehen.“ Die ersten Medienreaktionen auf die Figur waren positiv. Matt Mitovich von TV Guide bezeichnete sie als „Fan-Liebling“, und Chris Monfette von IGN lobte die Hinzufügung „frischer, neuer Charaktere“, wie Robbins im Laufe der Staffel. Im März 2018 verließ Capshaw Grey’s Anatomy, wobei die Produzenten kreative Gründe angaben. Capshaw postete ein Statement auf Twitter, in dem sie die Bedeutung ihrer Figur hervorhob: „Sie war eines der ersten Mitglieder der LGBTQ-Gemeinschaft, das in einer regulären Rolle im Fernsehen vertreten war. Ihr Einfluss auf die Welt ist dauerhaft und für immer.“