Джессика Клэр Тимберлейк родилась 3 марта 1982 года. Росла в небольшом американском городке Или, штат Миннесота, США, в семье предпринимателя Джонатана Эдварда Била и Кимберли Бил. Тремя годами позже в семье родился сын Джастин. За время своего детства Джессика с семьёй пожила в Техасе, Коннектикуте и Вудстоке, штат Иллинойс. В конце концов семья осела в Боулдере, штат Колорадо.

Первоначально Джессика училась пению и даже участвовала в нескольких городских музыкальных проектах, выступая в главных ролях в таких мюзиклах как «Энни», «Звуки музыки», «Красавица и чудовище».

    В 12 лет участвовала в конференции Международной Ассоциации моделей и талантов «The International Modeling and Talent Association», где была замечена и приглашена модельным агентством. С этого времени Джессика стала моделью для печатной рекламы и стала появляться в рекламных роликах, включая марки «Deluxe Paint» и «Pringles».

    В это же время Бил сыграла одну из главных ролей в малобюджетном мюзикле «Это цифровой мир», который, однако, на экраны не вышел.

    В 14 лет, после неудачных кинопроб в несколько телевизионных проектов, была утверждена на роль старшей дочери в семейной драме «Седьмое небо», которую планировалось показывать на телеканале «FOX», однако телесериал вышел в 1996 году в телевизионной сети «Warner Brothers», продержался одиннадцать лет и стал самой долгой семейной драмой в истории телевидения, получившей также самые высокие рейтинги на канале.

    Первой ролью в кино стала роль бунтарки-гота Кейси Джэксон, внучки Питера Фонды, в критически принятой драме «Золото Ули» 1997 года. Эта роль принесла ей премию «Young Artist Award».

    В 2000 году после неудачной кинопробы на роли в «Красота по-американски» Джессика заявила, что устала от роли «правильной» дочки священника. После этого она снялась полуобнажённой для обложки журнала «Gear», что вызвало протест у поклонников и продюсеров фильма, однако продюсер Аарон Спеллинг дал понять, что разрывать контракт с Бил не намерен.

    Прорывом для Джессики, в 2006 году, стала роль Софи, возлюбленной героя Эдварда Нортона в «Иллюзионисте», режиссёра Нила Бургера, за которую она получила две премии.

    Была партнершей Николаса Кейджа по фильму «Пророк» 2007 года. В сентябре 2008 года участвовала в международной премьере фильма «Лёгкое поведение» на Международном кинофестивале в Торонто, в котором снялась вместе с Беном Барнсом, Кристин Скотт Томас и Колином Фёртом.

    С октября 2012 года Джессика замужем за музыкантом и актёром Джастином Тимберлейком. В сентябре 2013 года Бил официально взяла фамилию мужа, но продолжила сниматься в фильмах под своей девичьей фамилией. У супругов есть сын - Сайлас Рэндолл Тимберлейк.