Capshaw a eu un rôle mineur dans le drame The Locusts (1997), avec sa mère, à l’âge de dix-neuf ans. Elle a ensuite eu un rôle dans le film indépendant Denial (1998) d’Adam Rifkin.Dans le film slasher Valentine (2001), Capshaw a joué le rôle de Dorothy Wheeler. Elle a ensuite eu un rôle mineur dans Minority Report (2002), et un rôle principal dans The Groomsmen (2006) d’Edward Burns.
En 2009, elle est devenue régulière dans le drame médical Grey’s Anatomy. Il a d’abord été signalé en décembre 2008 que Capshaw rejoindrait le casting de Grey’s Anatomy en tant que chirurgienne pédiatrique Arizona Robbins, pour un arc de plusieurs épisodes. Initialement prévue pour apparaître dans trois épisodes de la cinquième saison de la série, la créatrice de la série, Shonda Rhimes, a ensuite prolongé le contrat de Capshaw pour apparaître dans tous les épisodes restants de la saison, devenant une régulière de la série dans la sixième saison.
Elle a été établie comme un intérêt amoureux pour la résidente en chirurgie orthopédique Callie Torres (Sara Ramirez). La créatrice de la série, Shonda Rhimes, était satisfaite de l’alchimie entre Robbins et Torres, citant l’ajout de Capshaw au casting comme un élément de la saison dont elle était la plus fière. En parlant de la nouvelle addition, Rhimes a déclaré : « J’aime Jessica Capshaw, et quand je dis aimer, je veux dire aimer. Elle ne pourrait pas être une personne plus merveilleuse, et j’ai l’impression que l’alchimie entre Arizona et Callie ressemble à celle entre Meredith (Ellen Pompeo) et Derek (Patrick Dempsey). Je les trouve délicieux à regarder ». La réaction initiale des médias au personnage a été positive. Matt Mitovich de TV Guide l’a décrite comme une « favorite des fans », et Chris Monfette pour IGN a salué l’ajout de « personnages frais et nouveaux », comme Robbins au cours de la saison. En mars 2018, Capshaw a quitté Grey’s Anatomy, les producteurs invoquant des raisons créatives. Capshaw a publié une déclaration sur Twitter, soulignant l’importance de son personnage : « Elle était l’un des premiers membres de la communauté LGBTQ à être représenté dans un rôle régulier de série sur la télévision de réseau. Son impact sur le monde est permanent et pour toujours. »