Pierwszym filmem kinowym w jakim wystąpiła był obraz Jolene z 2008 roku, w którym zagrała tytułową rolę u boku Dermota Mulroneya. Za swoją rolę Jessica otrzymała nagrodę dla najlepszej aktorki podczas MFF w Seattle. W 2010 roku aktorka występuje w ekranizacji powieści Agaty Christie Morderstwo w Orient Expressie będącym odcinkiem serialu Poirot. W tym samym roku Chastain u boku Helen Mirren i Sama Worthingtona gra w filmie Dług w reżyserii Johna Maddena. W filmie, którego premiera miała miejsce podczas 35. MFF w Toronto wcieliła się w postać młodej agentki Mosadu, tropiącej niemieckiego zbrodniarza.
W 2011 aktorka wystąpiła aż w sześciu filmach fabularnych, ocenionych wysoko zarówno przez krytyków filmowych, jak i publiczność. W filmie Terrence’a Malicka Drzewo życia wcieliła się w postać pani O’Brien, żony postaci graną przez Brada Pitta. Premiera filmu nastąpiła podczas 64. MFF w Cannes, gdzie obraz otrzymał nagrodę główną, czyli Złotą Palmę. Sama Chastain otrzymała za swoją rolę do nagrodę Satelitę za najlepszą rolę drugoplanową. W obrazie Koriolan, będącym reżyserskim debiutem Ralpha Fiennesa, wcieliła się w postać szekspirowskiej Virgilii, grając u boku Gerarda Butlera i Vanessy Redgrave. Premiera tego dramatu miała miejsce podczas 61.