Nel 2017 interpretò Antonina Żabińska, nel drammatico "La signora dello zoo di Varsavia" che durante la seconda guerra mondiale, assieme al marito Jan, direttore dello zoo di Varsavia, aiuta centinaia di ebrei a scampare alle persecuzioni naziste. Il film è tratto dal romanzo "Gli ebrei dello zoo di Varsavia" di Diane Ackerman. La pellicola ricevette critiche contrastanti, anche se Stephen Holden prese atto di come la performance "«vigile e stratificata»" della Chastain abbia rafforzato il film. Nel mese di maggio fece parte della giuria della 70ª edizione del Festival di Cannes, presieduta dal regista spagnolo Pedro Almodóvar. Durante l'esperienza da giurata l'attrice dichiarò di essere rimasta delusa dai personaggi femminili visti, definendo "«vecchia e disturbante»" la loro rappresentazione al cinema.