Figlia d'arte, suo padre è il regista Stephen Gyllenhaal, che l'ha diretta in alcune occasioni, suo fratello è Jake Gyllenhaal, che ha raggiunto il successo nello stesso anno della sorella, con "Moonlight Mile", è di origine californiana. Dopo una laurea alla Columbia University Maggie si è trasferita a New York, qui ha dato il via alla sua carriera professionale, dopo aver trascorso un lungo periodo a Londra per approfondire gli studi di recitazione, alla Royal Academy of Dramatic Arts.
Ritornata negli Stati Uniti nella seconda metà degli anni Novanta, ha iniziato una dignitosa quanto non particolarmente brillante carriera professionale in film tv. Nel 2002 raggiuge un inaspettato successo con il ruolo della segretaria personale dell'avvocato E. Edward Grey (James Spader) in "Secretary" di Steven Shainberg, che la elegge tra le migliori rivelazioni dell'anno e le fa guadagnare diversi premi, tra cui il Chicago Film Critics Award come migliore promessa. Nel frattempo la nota anche George Clooney, che la vuole nella parte di Debbie per il suo "Confessioni di una mente pericolosa" (2003).
Nel 2004, Maggie alterna ruoli impegnati a ruoli più leggeri: è una delle protagoniste, insieme a Daryl Hannah, di "Casa de los Babys" di John Sayles, di "Criminal" con John C. Reilly e Diego Luna e, a fianco di Julia Roberts e Kirsten Dunst, nella commedia romantica diretta da Mike Newell "Mona Lisa Smile".
Ha poi interpretato "The Great new Wonderful" (2005) di Danny Leiner, "Uomini e Donne" (2006) di Bart Freundlich, "Stranger Than Fiction" (2007) di Marc Forster con Will Ferrell e Dustin Hoffman e "World Trade Center" (2006) di Oliver Stone.
Ha lavorato al film "The Dark Knight" (2008) di Christopher Nolan accanto a Christian Bale e alla commedia "Away We Go" (2009).