Alba queria agir desde os cinco anos de idade. Ela teve sua primeira aula de atuação aos doze anos de idade. Um agente de atuação a assinou nove meses depois. Seu primeiro trabalho no cinema foi um pequeno papel no filme Camp Nowhere, de 1994. No início, ela só foi contratada por duas semanas, mas acabou trabalhando por dois meses porque outra atriz desistiu.
Alba estrelou em dois comerciais de televisão nacional quando era criança. Um deles era para a Nintendo e o outro era para J.C. Penney. Ela interpretou Jessica em três episódios da série de comédia Nickelodeon The Secret World of Alex Mack. Alba era então Maya na série de televisão Flipper. Sua mãe era salva-vidas e havia ensinado Jessica a nadar antes que ela pudesse andar. Ela é uma mergulhadora certificada.
Em 1998, ela atuou no Brooklyn South, em dois episódios de Beverly Hills, 90210 e em um episódio de O Barco do Amor: A Próxima Onda. Depois de se formar no colegial, Alba estudou teatro com William H. Macy e sua esposa, Felicity Huffman, na Atlantic Theater Company.
Ela se tornou mais famosa em Hollywood em 1999 depois de atuar na comédia romântica Drew Barrymore Never Been Kissed, e como a principal personagem feminina do filme de terror da comédia de 1999 Idle Hands. Ela foi escolhida entre um grupo de 1.200 atrizes para o papel do soldado geneticamente modificado, na série de televisão Dark Angel, da FOX sci-fi. A série durou duas temporadas, de 2000 até 2002. Alba foi nomeada para um Globo de Ouro por seu trabalho nessa série. Quando ela treinou para estar em Dark Angel, Alba teve que se exercitar muito e ela mesma passou fome. Ela disse: "Muitas garotas têm distúrbios alimentares e eu também tive. Eu fiquei obcecada com isso". Ela também tinha distúrbios obsessivos compulsivos e ataques de pânico. Ela disse que cozinha para si mesma desde os doze anos de idade para não ficar tão gorda quanto os membros de sua família.
Alguns dos papéis mais famosos de Alba no cinema são de dançarino em Sin City e como a personagem da Marvel Comics Sue Storm, a Mulher Invisível no Quarteto Fantástico. Ela também atuou no Into the Blue em 2005 e no Good Luck Chuck alguns anos depois. Em 2008, Alba fez seu primeiro papel de filme de terror em The Eye, um remake do original de Hong Kong. Em fevereiro, ela foi anfitriã de uma cerimônia da Academia de Artes e Ciências Cinematográficas. Mais tarde, no final do ano, ela estrelou The Love Guru.
Em 2010, Alba apareceu em cinco filmes, incluindo Little Fockers e The Killer Inside Me. No ano seguinte, ela apareceu em Spy Kids 4, uma seqüência de Spy Kids.
