Chastain apparaît dans deux films présentés lors de la du festival de Cannes en 2012 : le film d'animation "Madagascar 3" et le drame criminel "Des hommes sans loi". Pour le premier film, troisième opus de la série de films "Madagascar", Chastain prête sa voix à un jaguar avec un accent italien. Avec des recettes atteignant les 747 millions de dollars de recettes mondiales, "Madagascar 3" se classe parmi les films les plus rentables de l'actrice. "Des hommes sans loi", réalisé par John Hillcoat, est basé d'un roman se déroulant durant la Prohibition écrit par Matt Bondurant. Chastain y incarne une danseuse de Chicago impliqué dans un conflit entre trois contrebandiers, incarnés par Tom Hardy, Shia LaBeouf et Jason Clarke. Le long-métrage reçoit des critiques positives, Richard Corliss trouvant l'actrice est chargée par une . Dans un biopic expérimental de l'auteur C.K. Williams intitulé "The Color of Time", réalisés par des étudiants de l'acteur James Franco de l'université de New York, Chastain tient le rôle de la mère de Williams. Initialement titré "Tar" lors de sa présentation au Festival de Rome en 2012, il est renommé pour sa sortie en salles deux ans plus tard.