ג'ילנהול נולדה במנהטן, ניו יורק בתם של נעמי פונר ג'ילנהול (לבית אצ'ס) וסטיבן ג'ילנהול. השם הפרטי בתעודת הלידה של מגי הוא "מרגלית", שאותו גילתה רק ב-2013[דרוש מקור], כשאימצה שם משפחה מנישואים. יש לה שני אחים צעירים: השחקן ג'ייק ג'ילנהול ואח למחצה בשם לוק מנישואיו השניים של אביה.
אביה הוא במאי קולנוע ומשורר שהיה מועמד לפרס אמי, ואמה היא תסריטאית ובמאית. אביה, בן לשושלת המלוכה השוודית[דרושה הבהרה], הוא ממוצא שוודי ואנגלי, והוא גדל וחונך בכנסייה השוודית.
אמה נולדה בעיר ניו יורק (גדלה בברוקלין), והיא יהודייה, בת להורים יהודים אשכנזים שהיגרו מרוסיה ופולין. בעלה הראשון של אמה היה אריק פונר, היסטוריון ופרופסור ידוע להיסטוריה באוניברסיטת קולומביה. ג'ילנהול הצהירה כי בפן התרבותי היא "גדלה בעיקר כיהודייה", והיא מזדהה כיהודייה. הוריה נישאו ב-1977, והגישו בקשה לגירושין באוקטובר 2008.
בשנת 2008 כיכבה ג'ילנהול בסרט עטור השבחים ושובר הקופות "האביר האפל" שגרף למעלה ממיליארד דולרים, בסרט גילמה ג'ילנהול את דמותה של רייצ'ל דוז. על תפקידה בסרט זכתה ג'ילנהול לשבחים רבים ובמועמדות שנייה לפרס סאטורן בקטגוריית השחקנית הטובה ביותר.
בשנת 2009 שיחקה בסרט "לב לא שפוי", עליו קבלה מועמדות לפרס אוסקר לשחקנית המשנה הטובה ביותר, בסרט הופיעה ג'ילנהול בדמותה של ג'ין קראדוק, עיתונאית צעירה הנחושה בדעתה לגלות את האדם האמיתי מאחורי מוזיקאי מזדקן ושיכור.
בשנת 2010 שיחקה בסרט "נני מקפי: הקסם חוזר" כאמם של ילדי החווה.
בשנת 2018 שיחקה בסרט הדרמה "הגננת", את ליסה ספינלי, גננת מסטטן איילנד שנאבקת בקשיים בחייה. ג'ילנהול היא גם אחת המפיקות בסרט, שהוא עיבוד לסרט הישראלי משנת 2014; "הגננת" של נדב לפיד.
בשנת 2002, ג'ילנהול החלה לנהל מערכת יחסים עם השחקן פיטר סארסגארד, חבר קרוב של אחיה, ג'ייק. בני הזוג התארסו באפריל 2006, ונישאו ב-2 במאי 2009, בטקס מצומצם שנערך בקפלה בברינדיזי, איטליה. יש להם שתי בנות, רמונה (ילידת 2006) וגלוריה ריי (ילידת 2012). המשפחה התגוררה בשכונת פארק סלופ, ברוקלין. בשנת 2019, הם הציעו למכירה את ביתם.