Capshaw had op haar negentiende een bijrolletje in het drama The Locusts (1997), met haar moeder in de hoofdrol. Daarna had ze een rol in Adam Rifkins onafhankelijke film Denial (1998).In de slasherfilm Valentine uit 2001 speelde Capshaw Dorothy Wheeler. Daarna had ze een bijrol in Minority Report (2002), en een hoofdrol in Edward Burns’s The Groomsmen (2006).
In 2009 werd ze een vaste rol in het medische drama Grey’s Anatomy. Het werd voor het eerst gemeld in december 2008 dat Capshaw zou toetreden tot de cast van Grey’s Anatomy als kinderchirurg Arizona Robbins, voor een multi-episode arc. Aanvankelijk zou ze in drie afleveringen van het vijfde seizoen verschijnen, maar Shonda Rhimes verlengde later Capshaw’s contract om in alle resterende afleveringen van het seizoen te verschijnen, en werd een vaste actrice in het zesde seizoen.
Ze werd een geliefde voor orthopedische chirurg Callie Torres (Sara Ramirez). Shonda Rhimes was blij met de chemie tussen Robbins en Torres, en noemde de toevoeging van Capshaw aan de cast als een element van het seizoen waar ze het meest trots op was. Sprekend over de nieuwe toevoeging, zei Rhimes: “Ik hou van Jessica Capshaw, en als ik zeg houden, bedoel ik houden van. Ze kon geen geweldig persoon zijn, en ik heb het gevoel dat de chemie die Arizona en Callie hebben, voelt als de Meredith (Ellen Pompeo) en Derek (Patrick Dempsey) chemie voor mij. Ik vind ze verrukkelijk om naar te kijken.” De eerste reacties van de media op het personage waren positief. Matt Mitovich van TV Guide beschreef haar als een “fanfavoriet”, en Chris Monfette voor IGN prees de toevoeging van “frisse, nieuwe personages”, zoals Robbins in de loop van het seizoen. In maart 2018 verliet Capshaw Grey’s Anatomy, waarbij de producenten creatieve redenen aanhaalden. Capshaw plaatste een verklaring op Twitter, waarin ze de betekenis van haar personage benadrukte: “Ze was een van de eerste leden van de LGBTQ-gemeenschap die werd vertegenwoordigd in een serie reguliere rol op netwerktelevisie. Haar impact op de wereld is blijvend en voor altijd.”