В октябре 2015 года в прокат вышли научно-фантастическая драма Ридли Скотта «Марсианин» и фильм ужасов Гильермо дель Торо «Багровый пик». В «Марсианине», рассказывающем о выживании Марка Уотни (Мэтт Деймон) на Красной планете, Честейн исполнила роль руководителя экспедиции Ares III Мелиссу Льюис. О том, что Ридли Скотт ищет актрису для нового фильма, Честейн узнала спустя несколько дней после выхода «Интерстеллара». Сперва она прочла книгу, ставшую основой фильма, а затем встретилась с режиссёром. Как признавалась Честейн, она согласилась на роль по нескольким причинам, среди которых было желание сыграть астронавта и поработать со Скоттом. К роли Мелиссы Джессику готовила Трейси Колдвелл-Дайсон, астронавт, участница двух долговременных экипажей МКС. Они впервые встретились в Космическом центре Джонсона, где Честейн провела весь день. Кроме того, актриса на несколько дней отправилась в Лабораторию реактивного движения, занимающуюся разработкой беспилотных кораблей для НАСА. Подготовка к съёмкам была трудной и включала тренировки в тяжёлом скафандре и имитацию работы в условиях отсутствия гравитации. Фильм вышел в прокат 2 октября и мгновенно завоевал признание кинокритиков.