Capshaw oli 19-vuotiaana pienessä roolissa draamassa The Locusts (1997), jonka pääosassa oli hänen äitinsä. Tämän jälkeen hänellä oli rooli Adam Rifkinin independent-elokuvassa Denial (1998). 2001 ilmestyneessä slasher-elokuvassa Valentine Capshaw näytteli Dorothy Wheeleria. Sen jälkeen hänellä oli pieni rooli elokuvassa Minority Report (2002) ja päärooli Edward Burnsin ohjaamassa elokuvassa The Groomsmen (2006).
Vuonna 2009 hänestä tuli vakiojäsen lääketieteellisessä draamasarjassa Grey’s Anatomy. Joulukuussa 2008 kerrottiin ensimmäisen kerran, että Capshaw liittyisi Grey’s Anatomy -elokuvan näyttelijäkaartiin lastenkirurgi Arizona Robbinsin rooliin usean jakson mittaiseksi jaksoksi. Alun perin hänen oli tarkoitus esiintyä kolmessa jaksossa sarjan viidennellä kaudella, mutta sarjan luoja Shonda Rhimes jatkoi myöhemmin Capshawin sopimusta niin, että hän esiintyi kaikissa jäljellä olevissa kauden jaksoissa, ja hänestä tuli sarjan vakituinen jäsen kuudennella kaudella.
Hän perustettiin ortopedisen kirurgian apulaislääkärin Callie Torresin (Sara Ramirez) rakkauden kohteeksi. Sarjan luoja Shonda Rhimes oli tyytyväinen Robbinsin ja Torresin väliseen kemiaan ja mainitsi Capshaw’n lisäämisen näyttelijäkaartiin olevan kauden elementti, josta hän oli ylpein. Puhuessaan uudesta lisäyksestä Rhimes sanoi: ”Rakastan Jessica Capshaw’ta, ja kun sanon rakastan, tarkoitan rakkautta. Hän ei voisi olla ihanampi ihminen, ja Arizonan ja Callien välinen kemia tuntuu minusta Meredithin (Ellen Pompeo) ja Derekin (Patrick Dempsey) kemialta. Minusta heitä on ihana katsella.” Median ensireaktio hahmoon oli positiivinen. TV Guiden Matt Mitovich kuvaili häntä ”fanien suosikiksi”, ja IGN:n Chris Monfette kehui ”tuoreiden, uusien hahmojen”, kuten Robbinsin, lisäämistä kauden aikana. Maaliskuussa 2018 Capshaw poistui Greyn anatomiasta tuottajien vedotessa luoviin syihin. Capshaw julkaisi Twitterissä lausunnon, jossa hän korosti hahmonsa merkitystä: ”Hän oli yksi ensimmäisistä LGBTQ-yhteisön jäsenistä, joka oli edustettuna sarjan vakioroolissa verkkotelevisiossa. Hänen vaikutuksensa maailmaan on pysyvä ja ikuinen.”