Jay DeFeo a développé une pratique artistique diversifiée, produisant des peintures expressionnistes, des dessins symboliques, des sculptures à partir de matériaux non conventionnels et des images photographiques. Elle étudie l’art en atelier à l’Université de Californie à Berkeley, dont elle sort titulaire d’un bachelor en 1950 et d’un master en 1951. Puis elle voyage en Europe grâce à une bourse. Son séjour à Florence, en Italie, est particulièrement fécond et donne lieu à des centaines d’œuvres, dont des peintures à la tempera abstraites et expressives, émaillées de références figuratives et symboliques.
De retour à Berkeley en 1953, elle crée des peintures, des sculptures à partir de plâtre et de fil métallique ainsi que des bijoux. En 1954, elle épouse l’artiste Wally Hedrick (1928-2003 ; ils divorceront en 1969) et s’installe à San Francisco, où a lieu l’une de ses premières expositions individuelles, au sein de The Place, un lieu de rencontre de la sphère beat. Le couple emménage dans un immeuble de Fillmore Street, qui devient le point de ralliement de plasticien·nes, d’écrivain·es et de musicien·nes. Elle y produit des photocollages, des dessins d’inspiration botanique et de larges toiles expressionnistes. Elle participe à une exposition avant-gardiste de l’expressionnisme abstrait de la côté ouest organisée à Los Angeles en 1955 par le commissaire Walter Hopps, qui la représente ensuite à la Ferus Gallery. Son exposition individuelle à la Dilexi Gallery en 1959 décide la commissaire Dorothy Miller à présenter ses peintures et ses œuvres graphiques au sein de l’exposition charnière Sixteen Americans (1959-1960) au Museum of Modern Art, à New York.

Lorsque, en 1965, J. DeFeo et W. Hedrick sont contraints de quitter leur appartement, W. Hopps déplace The Rose (1958-1966) au Pasadena Art Museum, où l’artiste peut continuer à travailler sur cette peinture monumentale pendant trois mois. Le musée expose l’œuvre en 1969 et projette le film de Bruce Conner The White Rose (1967), qui montre la manière spectaculaire dont elle a été sortie par la fenêtre de l’atelier de J. DeFeo, situé au deuxième étage. The Rose est présentée au San Francisco Museum of Modern Art (SFMOMA) et au San Francisco Art Institute (SFAI), où l’artiste enseigne alors ; l’œuvre y restera pendant plusieurs décennies. À la suite de sa restauration en 1995, elle est acquise par le Whitney Museum of American Art, à New York.

Dans les années 1970 et 1980, J. DeFeo enseigne au SFAI, au California College of Arts and Crafts, à Sonoma State University et au Mills College, où elle est titularisée professeure en 1982. After Image (1970) et Crescent Bridge II (1970-1972) fournissent deux exemples des directions que prend sa pratique artistique au début des années 1970, alors qu’elle explore les formes surréalistes des objets du quotidien. La photographie commence à jouer un rôle central dans ce processus créatif et l’artiste expérimente les photogrammes, les chimigrammes et la xérographie. En 1973-1974, une bourse du National Endowment for the Arts (NEA) lui permet d’acquérir un nouvel appareil photographique et une chambre noire. À la même époque, elle crée une série de photocollages inspirés par ses conversations avec B. Conner. En 1978, J. DeFeo bénéficie d’une exposition individuelle au UC Berkeley’s University Art Museum. Elle est désormais représentée par la Paule Anglim Gallery. Au début des années 1980, elle change d’atelier pour un plus grand espace à Oakland, où elle crée de grandes peintures à l’huile et aux techniques mixtes. Ses compositions dynamiques, mêlant des éléments organiques et géométriques, sont animées par des surfaces texturées caractéristiques de son travail et, dans des œuvres comme La Brea (1984-1985), par une utilisation plus vibrante de la couleur.

J. DeFeo reçoit un doctorat honorifique de la SFAI en 1982, ainsi que le prix Adaline-Kent en 1983-1984, qui donne lieu à une grande exposition personnelle, Jay DeFeo : Selected Works, Past and Present (1984). En 1985, elle obtient un second prix du NEA. Elle connaît alors une période prolifique tout au long des années 1980. Ses voyages à Hawaii, au Japon et au Kenya lui inspirent de nouvelles œuvres. Elle meurt d’un cancer du poumon à l’âge de soixante ans, en 1989. L’exposition Jay DeFeo : Works on Paper est inaugurée au UC Berkeley’s University Art Museum en 1990 avant d’être présentée, entre autres, à la Menil Collection, à Houston. En 2012, le Whitney Museum of American Art organise une rétrospective de son œuvre, présentée ensuite au SFMOMA. Plusieurs expositions ont par la suite exploré l’ampleur de la pratique artistique de J. DeFeo et l’héritage qu’elle a laissé dans l’histoire de la peinture abstraite américaine.