Capshaw tuvo un papel menor en el drama The Locusts (1997), coprotagonizado por su madre, a los diecinueve años. Posteriormente tuvo un papel en la película independiente de Adam Rifkin Denial (1998).En la película de slasher de 2001 Valentine, Capshaw interpretó a Dorothy Wheeler. Luego tuvo un papel menor en Minority Report (2002), y un papel principal en The Groomsmen (2006) de Edward Burns.
En 2009, se convirtió en una habitual del drama médico Grey’s Anatomy. En diciembre de 2008 se informó por primera vez de que Capshaw se uniría al reparto de Anatomía de Grey como la cirujana pediátrica Arizona Robbins, para un arco de varios episodios. Inicialmente estaba previsto que apareciera en tres episodios de la quinta temporada, pero la creadora de la serie, Shonda Rhimes, amplió posteriormente el contrato de Capshaw para que apareciera en todos los episodios restantes de la temporada, convirtiéndose en una serie regular en la sexta temporada.
Se estableció como interés amoroso para la residente de cirugía ortopédica Callie Torres (Sara Ramírez). La creadora de la serie, Shonda Rhimes, se mostró satisfecha con la química entre Robbins y Torres, y citó la incorporación de Capshaw al reparto como un elemento de la temporada del que se sentía más orgullosa. Hablando de la nueva incorporación, Rhimes dijo: «Adoro a Jessica Capshaw, y cuando digo adorar es adorar. No podría ser una persona más maravillosa, y siento que la química que tienen Arizona y Callie es como la de Meredith (Ellen Pompeo) y Derek (Patrick Dempsey). Me resulta encantador verlos». La reacción inicial de los medios de comunicación al personaje fue positiva. Matt Mitovich, de TV Guide, la describió como una «favorita de los fans», y Chris Monfette, de IGN, elogió la incorporación de «personajes frescos y nuevos», como Robbins en el transcurso de la temporada. En marzo de 2018, Capshaw salió de Anatomía de Grey, con los productores citando razones creativas. Capshaw publicó un comunicado en Twitter, destacando la importancia de su personaje: «Fue uno de los primeros miembros de la comunidad LGBTQ en ser representado en un papel de serie regular en la televisión de la red. Su impacto en el mundo es permanente y para siempre».