Maggie Ruth Gyllenhaal nasce a New York il 16 novembre 1977.
È la figlia del regista svedese-statunitense Stephen Gyllenhaal (pronunciato Jill-en-hall in inglese e Yull-en-hall in svedese) e della scrittrice/produttrice ebreo-statunitense Naomi Foner, ed è la sorella dell'attore Jake Gyllenhaal. La sua famiglia discende dalla famiglia nobile svedese dei Gyllenhaal, e l'ex marito della madre è il noto storico statunitense Eric Foner. Attualmente è fidanzata con l'attore Peter Sarsgaard, amico intimo del fratello Jake che ha anche affiancato nel film Jarhead. Maggie è inoltre rimasta in amicizia con la collega Kirsten Dunst (la cui madre è di origine svedese), che - dopo una sua presentazione - è stata per un certo tempo fidanzata con Jake.
Durante la scuola superiore studiò un semestre all'estero a Vershire (Vermont) nella scuola chiamata The mountain School. Dopo il diploma frequentò la Columbia University, e trascorse un'estate studiando alla "Royal Academy of Dramatic Art".
I suoi primi ruoli cinematografici li ebbe in film diretti dal padre: Waterland (1992), Una donna pericolosa (1993) e Homegrown - I piantasoldi (1998). Dopo essersi diplomata al college ebbe una serie di ruoli da non protagonista, da sottolineare Donnie Darko del 2001 dove recitò accanto al fratello.
Il ruolo che la fece conoscere al pubblico fu nel film Secretary, che le portò l'acclamazione generale e una nomination al Golden Globe. Recitò poi ne Il ladro di orchidee e Mona Lisa Smile insieme a Julia Roberts e alla sua amica Kirsten Dunst.
Il 24 aprile 2003 fece il suo primo discorso al college presso l'Università del North Carolina a Chapel Hill. I suoi commenti si concentrarono in una critica all'industria cinematografica e su come era stata la sua esperienza fino a quel momento.
Fu presa di mira dopo un'intervista del 22 aprile 2005 per il canale via cavo NY1 nella quale disse che gli Stati Uniti erano in un qualche modo responsabili degli attacchi terroristici dell'11 settembre 2001. Lei affermò: "Penso che gli USA abbiano fatto cose biasimevoli e che siano responsabili in una qualche maniera …."
Regina del cinema indipendente americano, ha recitato sempre in maniera posata ed efficace, interpretando ruoli difficili con grande maestria. Da segnalare sicuramente le sue prove in Secretary (2002) di Steven Shainberg, SherryBaby di Laurye Collier (2006) e Vero come la finzione di Marc Foster (2006).
La sua innegabile bravura non l'ha però tenuta lontano da un cinema di largo consumo: infatti Oliver Stone nel 2006 la sceglie per interpretare Allison Jimeno in World Trade Center a fianco di Nicolas Cage e Maria Bello. E Cristopher Nolan nel 2008 la scrittura nel ruolo più conosciuto finora della sua carriera, quello di Rachel Dawes (già interpretata due anni prima da Katie Holmes) ne Il Cavaliere Oscuro, sesto film sulle avventure di Batman.
Ha fatto anche la modella per Miu Miu, un ramo della casa di moda Prada, per la Reebok ed è stata scelta come testimonial per la casa di lingerie Agent Provocateur. È madre di Ramona Sarsgaard Gyllenhaal avuta dal attuale compagno Peter Sarsgaard
FilmografiaWaterland - Memorie d'amore (Waterland 1992)
Una donna pericolosa (A Dangerous Woman 1993)
Homegrown - I piantasoldi (Homegrown 1998)
The Photographer (2000)
A morte Hollywood (2000)
Donnie Darko (2001)
I ragazzi della mia vita (Riding in Cars with Boys 2001)
Secretary (2002)
40 giorni & 40 notti (40 Days and 40 Nights 2002)
Il ladro di orchidee (Adaptation 2002)
Confessioni di una mente pericolosa (Confessions of a Dangerous Mind 2002)
Casa de los babys (2003)
Mona Lisa Smile (2003)
Criminal (2004)
Happy Endings (2005)
The Great New Wonderful (2005)
Sherrybaby (2006)
Uomini & donne - Tutti dovrebbero venire... almeno una volta! (Trust the Man 2006)
Monster House (2006, voce)
Paris, je t'aime (2006) - Episodio Quartier des Enfants Rouges
World Trade Center (2006)
Vero come la finzione (Stranger than Fiction 2007)
Il cavaliere oscuro (The Dark Knight 2008)
