Capshaw hade en mindre roll i dramat The Locusts (1997), tillsammans med sin mamma, när hon var nitton år gammal. Därefter hade hon en roll i Adam Rifkins independentfilm Denial (1998). 2001 års slasherfilm Valentine spelade Capshaw Dorothy Wheeler. Hon hade sedan en mindre roll i Minority Report (2002) och en huvudroll i Edward Burns film The Groomsmen (2006).
År 2009 blev hon ordinarie i det medicinska dramat Grey’s Anatomy. Det rapporterades först i december 2008 att Capshaw skulle ansluta sig till skådespelarna i Grey’s Anatomy som barnkirurgen Arizona Robbins, för en serie med flera avsnitt. Ursprungligen var det tänkt att hon skulle medverka i tre avsnitt av seriens femte säsong, men seriens skapare Shonda Rhimes förlängde senare Capshaws kontrakt så att hon skulle medverka i alla säsongens återstående avsnitt, och blev ordinarie i den sjätte säsongen.
Hon etablerades som kärleksintresse för den ortopediska kirurgen Callie Torres (Sara Ramirez). Seriens skapare Shonda Rhimes var nöjd med kemin mellan Robbins och Torres och nämnde tillägget av Capshaw till rollistan som ett inslag i säsongen som hon var mest stolt över. På tal om det nya tillskottet sade Rhimes: ”Jag älskar Jessica Capshaw, och när jag säger kärlek menar jag kärlek. Hon skulle inte kunna vara en mer underbar person, och jag känner att kemin mellan Arizona och Callie känns som kemin mellan Meredith (Ellen Pompeo) och Derek (Patrick Dempsey) för mig. Jag tycker att de är underbara att titta på.” De första reaktionerna i media på karaktären var positiva. Matt Mitovich från TV Guide beskrev henne som en ”fanfavorit”, och Chris Monfette från IGN berömde tillägget av ”fräscha, nya karaktärer”, som Robbins under säsongens gång. I mars 2018 lämnade Capshaw Grey’s Anatomy och producenterna hänvisade till kreativa skäl. Capshaw publicerade ett uttalande på Twitter där hon lyfte fram betydelsen av sin karaktär: ”Hon var en av de första medlemmarna i HBTQ-samhället som representerades i en ordinarie roll i en serie på nätverks-tv. Hennes inverkan på världen är permanent och för alltid.”