Hill rozpoczął swą karierę od pisania krótkich form, które następnie wykonywał w klubach. Wtedy zdał sobie sprawę, że jego marzeniem jest aktorstwo. Pomocną dłoń wyciągnął do niego Dustin Hoffman, ojciec jego przyjaciół z dzieciństwa. Dzięki sławnemu aktorowi Hill trafił na casting do filmu "Jak być sobą" (2004), który wygrał. Rok później zagrał epizod w "40-letnim prawiczku" Judda Apatowa. Współpraca z tym reżyserem znacząco wpłynęła na dalszą ścieżkę jego kariery.
Hill zaczął specjalizować się w rolach młodych sfrustrowanych neurotyków. Wypracował je w "Supersamcu" (2007), kumpelskiej komedii o nastolatkach starających się zdobyć alkohol na imprezę, oraz "Wpadce" (2007, druga współpraca z Apatowem) - opowiadającej o obiboku, który niespodziewanie ma zostać ojcem i z tego powodu musi dorosnąć. Hill świetnie odnajdował się w wulgarnym humorze obu filmów. Jednocześnie dał znać, że potrafi uderzyć w poważniejsze tony. Scena w "Supersamcu", w której jego bohater wyznaje koleżance (Emma Stone) miłość, stanowi jeden z najszczerszych momentów w jego filmografii.
W 2011 roku Hill zagrał swoją pierwszą w pełni dramatyczną rolę. W "Moneyball" wcielił się w analityka, który opracowuje nowy system pozyskiwania zawodników baseballowych. Zwykle kojarzony z cholerycznymi i wulgarnymi postaciami, Hill był tutaj nieśmiały i wyciszony, niemal niezauważalny mimo swej postury. Za ten występ aktor otrzymał nominację do Złotego Globu, nagrody Gildii Aktorów Filmowych i Oscara za rolę drugoplanową.
W 2012 roku stworzył zaskakująco udany komediowy duet z Channingiem Tatumem w "21 Jump Street", komedii o policjantach udających licealistów. Do roli Hill zrzucił prawie dwadzieścia kilogramów. Drastyczne zmiany wagi między kolejnymi rolami stały się wkrótce jednym z jego znaków rozpoznawczych.
W 2013 roku Jonah oraz pozostali aktorzy znani z filmów Apatowa wzięli udział w roaście Jamesa Franco. Waga Hilla stała się jednym z głównych tematów żartów. "Gdy agent Jonaha powiedział mu, że Quentin Tarantino chce go obsadzić w swoim spaghetti westernie, Jonah odpowiedział: Przekonałeś mnie słowem spaghetti" - żartował komik Jeffrey Ross. - "Jonah prawie nie dotarł. Miał problem ze znalezieniem garnituru, który zmienia rozmiar co trzy godziny".
Hill śmiał się, chociaż przyznał, że zwykle jest drażliwy na temat swej wagi. Wkrótce dołączył do Apatowowskich aktorów w "To już jest koniec", gdzie celebryci zagrali swoje przerysowane wersje mierzące się z apokalipsą. Hill zostaje w filmie zgwałcony przez demona, a następnie opętany przez niego. W wywiadach przyznał, że w scenariuszu znalazło się kilka scen, których nie dał rady wykonać.
"Martin Scorsese to mój ulubiony reżyser w historii. Gdyby mnie poprosił, pomalowałbym mu dom" - przyznał kiedyś Hill. Z malowania domu nic nie wyszło, ale aktorowi udało się zagrać u swojego idola. Hill otrzymał drugoplanową rolę w "Wilku z Wall Street" (2013). Wcielił się wiecznie naćpanego maklera bez kręgosłupa moralnego; kretyna, który dorobił się ogromnych pieniędzy na przekrętach i za nic nie chce ich stracić. Hill wziął za rolę minimalną możliwą gażę. Chociaż niektórzy zarzucali mu zbytnie przerysowanie, "Wilk z Wall Street" przyniósł mu druga nominację do Oscara w karierze.
Podobną rolę zagrał w "Rekinach wojny" (2016), gdzie wcielił się w dwudziestokilkuletniego handlarza bronią, który nagle podpisuje kontrakt z rządem Stanów Zjednoczonych. W ostatnich latach jedyną główną rolę Hill zagrał w serialu "Maniak" zrealizowanym dla serwisu Netflix. Powodem były prace nad jego debiutem reżyserskim. "Mid90s" to nostalgiczna opowieść o dorastaniu w ostatnie dekadzie ubiegłego wieku. National Board of Review uznało go za jeden z najlepszych filmów niezależnych roku 2018.
Obecnie Hill przygotowuje się do roli w "The Ballad of Richard Jewell" Ezry Edelmana. Będzie to biografia ochroniarza, który podczas olimpiady w Atlancie w 1996 roku odkrył podłożone w Parku Olimpijskim bomby i pomógł w jego ewakuacji, ratując przez to setki osób. Hill zagra rolę Jewella.
