Джозеф Гордон-Левитт родился 17 февраля 1981 года в Лос-Анджелесе, штат Калифорния, США. Джозеф начал актёрскую карьеру в раннем возрасте: уже в 1992 году он сыграл у Роберта Редфорда в фильме «И катит воды река» (другое название — «Там, где течет река»), а с 1996 года он играл в популярном телевизионном сериале «Третья планета от Солнца», за который он получил две премии от влиятельного голливудского издания The Hollywood Reporter и премию Гильдии киноактёров США. Кроме того, Джозеф сыграл одну из ведущих ролей в успешной комедии «10 причин моей ненависти», квази-шекспировском современном молодёжном фильме, где вместе с ним на экране появились Хит Леджер и Джулия Стайлз.

В 2001 году, после завершения актёром Колумбийского университета и того, как сериал «Третья планета от Солнца» был снят с эфира, Джозеф Гордон-Левитт практически полностью перешёл к съёмкам у независимых режиссёров.

В 2005 году актёр получил широкое признание публики и позитивные отзывы критиков во всём мире за свою роль уличного хастлера в фильме культового режиссёра Грегга Араки «Загадочная кожа».

А чуть позже на экраны в ограниченный прокат вышел фильм Райана Джонсона «Кирпич» — снятый в жанре нео-нуар университетский детектив, в котором Джозеф сыграл студента, расследующего загадочную гибель своей бывшей подружки.

Осенью 2006 года актёр был занят на съёмках неназванного пока кинопроекта режиссёра Кимберли Пирс (на военную тематику). Кроме того, Джозефа можно будет увидеть в роли наёмного убийцы в триллере «Киллер» с участием Дайан Лэйн и Микки Рурка.

В 2009 году Джозеф снялся в главной роли в романтической комедии «500 дней лета» совместно с Зоуи Дешанель. Гордон-Левитт сыграл влюбленного романтика Томаса Хэнсона, за что был номинирован на премии «Независимый дух» и «Detroit Film Critics Society Awards».

В 2010 году вышел в прокат фильм с участием Гордона-Левитта «Начало», с Леонардо Ди Каприо в главной роли.