Το 2007, ο Τζίλενχαλ πρωταγωνίστησε στην ταινία "Zodiac" του Ντέιβιντ Φίντσερ, που βασίστηκε σε αληθινή ιστορία. Έπαιξε τον Ρόμπερτ Γκρέισμιθ, έναν καρτουνίστα από το Σαν Φρανσίσκο, που είχε πάθει ψύχωση με τον serial killer που άκουγε στο ψευδώνυμο Zodiac. Στην συνέχεια έπαιξε με την Μέριλ Στριπ, τον Άλαν Άρκιν και την Ρις Γουίδερσπουν στην ταινία "Rendition", ένα πολιτικό θρίλερ. Το 2009, εμφανίστηκε με τον Τόμπι Μαγκουάιρ και την Νάταλι Πόρτμαν στην ταινία "Brothers". Το 2010 ξανασυνεργάστηκε με την Αν Χάθαγουεϊ στη δραματική κομεντί "Αγάπη Σαν Ναρκωτικό". Για την ερμηνεία του έλαβε υποψηφιότητα για Χρυσή Σφαίρα α' ανδρικού ρόλου.