Nach einigen Filmrollen, unter anderem in „The Exorcism of Emily Rose“, versuchte sich Jennifer Carpenter 2005 zum ersten Mal an einem Serienpiloten - in „Queen B“ stand sie an der Seite von Alicia Silverstone vor der Kamera. Im folgenden Jahr landete sie die Rolle der ahnungslosen Deb Morgan in Dexter, deren Bruder ein Serienkiller war. Nach dem Ende der Serie war Carpenter bei ABC im Frühjahr im gescheiterten Serienpiloten „Sea of Fire“ das Aushängeschild. 2014 wurde sie für eine Hauptrolle in dem Serienpiloten „Stanistan“ verpflichtet, doch auch die Serie wurde nicht bestellt.
Im Herbst 2015 kehrt Carpenter in der CBS-Serie Limitless auf die US-Fernsehbildschirme zurück. Darin spielt sie Rebecca eine engagierte Ermittlerin, die dank ihres Talents innerhalb des FBI schnell aufgestiegen ist.
Jennifer Carpenter und ihr Serienkollege Michael C. Hall haben zu Silvester 2008 geheiratet, trennten sich allerdings 2010 wieder. Ein Jahr später war die Scheidung finalisiert. Seit 2013 ist die Schauspielerin mit dem Musiker Seth Avett lieert. Im Februar 2015 haben sich die beiden verlobt und sind im Sommer 2015 zum ersten Mal Eltern geworden. Ende Mai 2016 haben Carpenter und Avett sich das Jawort gegeben.