En 1999 rodó el cortometraje Mis vacaciones, que obtuvo el Premio de la Audiencia en el Festival Cinespaña de Toulouse (Francia) y el Premio al Mejor Cortometraje en el Festival Curt Ficcions de Barcelona. Dos años después dirigió el segmento Muerte (2001), perteneciente al filme colectivo Diminutos del calvario en el que también colaboraron Javier Rebollo, Chiqui Carabante, Igor Legarreta, Juana Macías, Emilio Pérez, Félix Piñuela, Alber Ponte, Sergio G. Sánchez y Jorge Torregrosa. Su siguiente trabajo fue el cortometraje El hombre esponja (2002).

Entre 2004 y 2005 realizó los vídeos musicales Sonorama (2004), en el que participaron Alaska, OBK y Carlos Jean, entre otros; y 10 años con Camela (2004), en homenaje a la trayectoria musical del grupo; y Lo echamos a suertes (2005), videoclip del grupo musical ya disuelto Ella Baila Sola.

La cinta ha sido una de las películas españolas más taquilleras del año aunque, en un principio no recibió muy buenas críticas. Aun así, ha recibido los premios Goya al Mejor Guión Original, Mejor Dirección Novel, Mejor Sonido, Mejor Dirección Artística, Mejor Dirección de Producción, Mejores Efectos Especiales y Mejor Maquillaje y Peluquería. También ha obtenido, a comienzos de 2008, el Premio a la Mejor Realización en el festival de Fantasporto.

El filme fue producido por el cineasta mexicano Guillermo del Toro (El laberinto del fauno, 2006), que decidió apadrinar la opera prima de Jota gracias a la relación de amistad que les une tras rodar juntos Cronos (1993), un largometraje de Del Toro. La productora estadounidense New Line Cinema, que financió la trilogía El señor de los anillos, de Peter Jackson, ha adquirido los derechos de la película de Bayona para hacer una adaptación en Norteamérica.

La película cuenta la historia de Laura (Belén Rueda), una mujer de treinta y tantos años, que regresa a la inclusa donde pasó su infancia para reformarlo y da acogida a niños discapacitados. La protagonista emprende el proyecto junto a su marido (Fernando Cayo) y su hijo (Roger Príncep), que pronto comienza a hablar con amigos invisibles. Pasan los días y Laura recibe la visita de una misteriosa mujer (Montserrat Carulla) que revela el verdadero origen de su hijo: es un niño adoptado. El pequeño, conocedor de la noticia, desaparece sin dejar rastro. Tras el paso de algunos meses, la protagonista está convencida de que su hijo está vivo y decide salir en su búsqueda con ayuda de una psicóloga de la policía (Geraldine Chaplin) y una médium.