Fille d'un banquier d'investissement de Wall Street et d'une critique de théâtre pour Catholic World, Jane Wyatt s'intéresse très jeune aux planches. Elle débute à Broadway à l'âge de dix-neuf ans et interprète les ingénues dans de nombreuses pièces.
Jane Wyatt n'accédera jamais au rang de star, mais son succès au théâtre lui vaut les faveurs de Hollywood, qui la fait débuter dès 1934 dans des rôles de jeune première romantique (One more river James Whale, 1934 ; Great expectations Stuart Walker, 1934 ; The Luckiest Girl in the World, Edward Buzzell, 1936). Elle campe à merveille les épouses modèles ou les filles à la jeunesse éternelle (Les Horizons perdus, Frank Capra, 1936). Mais sa carrière à l'écran ne décolle pas pour autant, malgré quelques prestations honorables dans Le Mur invisible (Elia Kazan, 1947) et dans House by the River (Fritz Lang, 1949). Parmi ses autres apparitions au cinéma, citons notamment : None but the Lonely Heart, Cliffort Odets, 1944 ; Boomerang, Elia Kazan, 1947 ; Pitfall, André de Toth, 1948 ; No mirror vices, Lewis Milestone, 1948 ; Canadian Pacific, Edwin L. Marin, 1949 ; Task Force, Delmer Daves, 1949 ; Our Very Own, David Miller, 1950 ; Criminal Lawyer , Seymour Friedman, 1951 ; Interlude, Douglas Sirk, 1956.
A la fin des années 1950, Jane Wyatt quitte définitivement le grand écran pour le petit. Elle partage la vedette avec Robert Young dans la série Father Knows Best (1954-1960). Elle remporte trois années de suite (de 1958 à 1960) l'Emmy Award pour sa prestation et continue à faire des apparitions à la télévision jusque dans les années 1990 (Wagon Train ; The Alfred Hitchcock Hour ; Star Trek ; Happy Days ; The Virginian)
Jane Wyatt a été membre du Committee for the First Amendment (Comité pour le premier amendement de la Constitution), créé en 1947 pour soutenir les Dix de Hollywood, qui ont comparu devant le Comité des activités anti-américaines de la Chambre des représentants (House Committee on Un-American Activities, HUAC). Elle a été mise sur liste noire à Hollywood avant d'obtenir le rôle de Margaret Anderson en 1954 dans la série Father Knows Best.