Capshaw a avut un rol minor în drama The Locusts (1997), în care a jucat împreună cu mama ei, la vârsta de 19 ani. Ulterior, a avut un rol în filmul independent Denial (1998) al lui Adam Rifkin. în filmul slasher Valentine din 2001, Capshaw a jucat rolul lui Dorothy Wheeler. Ea a avut apoi un rol minor în Minority Report (2002), și un rol principal în filmul lui Edward Burns The Groomsmen (2006).
În 2009, ea a devenit un rol regulat în drama medicală Grey’s Anatomy. S-a raportat pentru prima dată în decembrie 2008 că Capshaw se va alătura distribuției serialului Grey’s Anatomy în rolul chirurgului pediatru Arizona Robbins, pentru un arc de mai multe episoade. Programată inițial să apară în trei episoade din cel de-al cincilea sezon al serialului, creatoarea serialului, Shonda Rhimes, a prelungit ulterior contractul lui Capshaw pentru a apărea în toate episoadele rămase din sezon, devenind un serial regulat în cel de-al șaselea sezon.
A fost stabilită ca un interes amoros pentru rezidentul de chirurgie ortopedică Callie Torres (Sara Ramirez). Creatoarea serialului, Shonda Rhimes, a fost mulțumită de chimia dintre Robbins și Torres, citând adăugarea lui Capshaw în distribuție ca fiind un element al sezonului de care a fost cea mai mândră. Vorbind despre noua achiziție, Rhimes a spus: „O iubesc pe Jessica Capshaw, iar când spun iubire, vorbesc serios. Nu putea fi o persoană mai minunată, iar chimia pe care o au Arizona și Callie mi se pare asemănătoare cu cea dintre Meredith (Ellen Pompeo) și Derek (Patrick Dempsey). Mi se pare încântător să le urmăresc.” Reacția inițială a presei față de personaj a fost pozitivă. Matt Mitovich de la TV Guide a descris-o ca fiind o „favorită a fanilor”, iar Chris Monfette de la IGN a lăudat adăugarea de „personaje noi și proaspete”, precum Robbins pe parcursul sezonului. În martie 2018, Capshaw a ieșit din Anatomia lui Grey, producătorii citând motive creative. Capshaw a postat o declarație pe Twitter, subliniind semnificația personajului ei: „Ea a fost unul dintre primii membri ai comunității LGBTQ care a fost reprezentată într-un rol regulat de serie la o rețea de televiziune. Impactul ei asupra lumii este permanent și pentru totdeauna.”
.