Jacob Derwig studeerde drie jaar Theaterwetenschap aan de Universiteit van Utrecht en doorliep daarna de Toneelschool in Arnhem, waar hij in 1994 afstudeerde. Van 1990 tot 2004 was hij verbonden aan toneelcollectief ’t Barre Land, dat mede door hem werd opgericht. Van 1995 tot 1999 was hij ook vast acteur bij toneelgroep De Trust. Daar speelde hij in 1997 de titelrol in de legendarische voorstelling Hamlet in de regie van Theu Boermans. Van 2005 tot 2013 speelde hij bij Toneelgroep Amsterdam, nu ITA geheten, onder leiding van artistiek directeur Ivo van Hove. Hij was hier te zien in onder andere Opening Night (2006), Romeinse Tragedies (2007) en Kinderen van de Zon (2011).

Na zijn vertrek bij TA verlegde hij zijn focus meer naar film en televisie. Hij speelde onder andere in Alles is Familie (2012), Publieke werken (2015) en in de populaire tv-series Penoza (2015) en Klem (2016 tot 2020). Hij won in totaal vier Gouden Kalveren, waaronder één voor zijn rol in de film Bankier van het verzet (2018) van regisseur Joram Lürsen. Hij speelde onlangs ook in de hooggewaardeerde telefilm De Zitting (2020) van Saskia Diesing, en in de series Red Light, The Spectacular en in De Verschrikkelijke Jaren Tachtig (2022), naar een scenario van Kim van Kooten. Sinds 2020 is hij bestuurslid van de DAFF (Dutch Academy for Film).

Hij is nog regelmatig op het toneel te zien, bijvoorbeeld in Who’s afraid of Virginia Woolf (2014), Angels in America (2015), en in 2017 in Revolutionary Road, naar de roman van Richard Yates, die hij voor deze voorstelling zelf bewerkte. Jacob Derwig won twee maal de Louis d’Or, de toneelprijs voor de meest indrukwekkende mannelijke dragende rol. In 2021 speelde hij bij Theater Rotterdam in Verdriet is het ding met veren, een bewerking van de roman van Max Porter, in de regie van Erik Whien.

In 2022 was hij ook de winnaar van het 19e seizoen van de televisie-quiz De Slimste Mens.