Joseph Leonard Gordon-Levitt urodził się 17 lutego 1981 roku w Los Angeles, w Kalifornii, do Jane Gordon i Dennis Levitt. Joseph został wychowany w żydowskiej rodzinie wraz ze swoim zmarłym starszym bratem, Danem Gordon-Levittem, który zmarł w październiku 2010 roku. Jego rodzice pracowali dla stacji radiowej Pacifica Radio KPFK-FM, a dziadek ze strony matki, Michael Gordon, był znanym reżyserem filmowym. Joseph po raz pierwszy stał się znany dzięki swojej głównej roli w wielokrotnie nagradzanym serialu komediowym NBC 3rd Rock from the Sun (1996). Podczas sześciu sezonów w serialu, zdobył dwie nagrody YoungStar Award, a także podzielił się trzema nominacjami do Screen Actors Guild Award® za Outstanding Performance by a Comedy Series Ensemble.
Przed sukcesem w telewizji, Joseph pracował już stabilnie w filmach fabularnych. Na początku swojej kariery zdobył nagrodę Young Artist Award za swoją pierwszą główną rolę w dramacie Roberta Redforda A River Runs Through It (1992). W latach 90. wystąpił również w filmach Anioły na boisku (1994), Ławnik (1996), Halloween H20: 20 lat później (1998), dobrze ocenianym sequelu slashera, oraz 10 rzeczy, których nie cierpię (1999), u boku Heatha Ledgera, który stał się klasykiem komedii dla nastolatków.
Po pracy nad filmem 3rd Rock, Joseph zrobił sobie przerwę od aktorstwa, aby uczęszczać na Uniwersytet Columbia. Na początku XXI wieku zerwał z formą swoich telewizyjnych i filmowych komediowych ról drugoplanowych, pojawiając się w szeregu intensywnych ról dramatycznych, głównie w mniejszych, niezależnych filmach, takich jak Manic (2001), z Donem Cheadle; Mysterious Skin (2004), dla pisarza / reżysera Gregga Arakiego; nagradzany debiut Riana Johnsona, dramatyczny thriller Brick (2005) (2005); Shadowboxer (2005) Lee Danielsa; dramat kryminalny The Lookout (2007), który był debiutem reżyserskim Scotta Franka; Killshot (2008) Johna Maddena, z Diane Lane i Mickeyem Rourke; film Spike’a Lee o II wojnie światowej Miracle at St. Anna (2008); oraz kontrowersyjny dramat Stop-Loss (2008), w którym zagrał u boku Ryana Phillippe’a, pod kierunkiem Kimberly Peirce. W 2009 roku, dzięki nominowanej do Złotego Globu roli w komediodramacie Marca Webba 500 dni lata (2009) z Zooey Deschanel w roli głównej, za którą otrzymał nominacje do Złotego Globu, Independent Spirit Award i People’s Choice Award, Joseph oficjalnie stał się jednym z liderów nowego pokolenia. Zaadaptował również opowiadanie Elmore’a Leonarda Sparks (2009) na wyreżyserowany przez siebie 24-minutowy film krótkometrażowy, który został pokazany na Festiwalu Filmowym Sundance.
Na początku nowej dekady zagrał główną rolę w dramacie niezależnym Hesher (2010) oraz ugruntował swoją pozycję jako gwiazda kina akcji w filmie Christophera Nolana Incepcja (2010), w którym wystąpili również Leonardo DiCaprio, Marion Cotillard i Ellen Page. Balansując pomiędzy filmem niezależnym a hollywoodzkim, Joseph zdobył kolejny Złoty Glob za dramat o raku 50/50 (2011) w reżyserii Jonathana Levine’a, w którym wystąpili również Seth Rogen, Anna Kendrick i Bryce Dallas Howard. Ponownie współpracował z reżyserem Nolanem przy filmie Mroczny rycerz powstaje (2012), trzeciej i ostatniej odsłonie serii filmów o Batmanie, za którą otrzymał nominację do nagrody People’s Choice Award dla ulubionego aktora filmowego. Zagrał również główne role w filmach Premium Rush (2012) w reżyserii Davida Koeppa oraz Looper (2012), w którym ponownie spotkał się z reżyserem Bricka, Rianem Johnsonem, u boku Bruce’a Willisa i Emily Blunt. Zaokrąglając rok, zagrał syna Abrahama Lincolna, Roberta, w nominowanym do Oscara filmie Stevena Spielberga Lincoln (2012), z Danielem Day-Lewisem i Sally Field.
W 2013 roku Gordon-Levitt wystąpił w swoim uznanym przez krytyków pełnometrażowym debiucie reżyserskim Don Jon (2013), na podstawie napisanego przez siebie scenariusza, naprzeciwko Scarlett Johansson i Julianne Moore. Za ten film został nominowany do Independent Spirit Award w kategorii „Najlepszy pierwszy scenariusz”. Udzielił również głosu Jiro Horikoshiemu w anglojęzycznej wersji nominowanego do Oscara animowanego filmu Hayao Miyazakiego The Wind Rises (2013), a także wystąpił w filmie Roberta Rodrigueza i Franka Millera Sin City: A Dame to Kill For (2014), w którym zagrał Johnny’ego, postać stworzoną przez Millera na potrzeby filmu. W 2015 roku wystąpił w filmie The Walk (2015), w reżyserii Roberta Zemeckisa, w którym sportretował Philippe’a Pettita, a w 2016 roku zagrał główną rolę w filmie Olivera Stone’a Snowden (2016).
Joseph zakończył produkcję Project Power (2020), filmu sci-fi Henry’ego Joosta/Ariela Schulmana dla Netflixa, w którym wystąpi naprzeciwko Jamiego Foxxa, oraz niezależnego thrillera, 7500 (2019), napisanego i wyreżyserowanego przez Patricka Vollartha. Wśród swoich innych projektów zagra adwokata Richarda Schultza w filmie Aarona Sorkina The Trial of the Chicago 7 (2020), a także pracuje nad wieloma filmami fabularnymi, w tym Fraggle Rock.
Joseph założył również i kieruje hitRECord, otwartą produkcją opartą na współpracy. hitRECord tworzy i rozwija sztukę i media zbiorowo za pomocą strony internetowej, gdzie każdy, kto ma połączenie z Internetem, może przesyłać swoje nagrania, pobierać i remiksować nagrania innych oraz wspólnie pracować nad projektami. Kiedy rezultaty tych nagrań są produkowane i przynoszą zyski, hitRECord dzieli się zyskami 50/50 z każdym, kto przyczynił się do końcowej produkcji. hitRECord opublikował książki, wydał płyty, wyruszył w trasę koncertową i pokazywał swoje prace na najważniejszych festiwalach, w tym Sundance i TIFF. Półgodzinny program „Hit Record on TV with Joseph Gordon-Levitt”, który zawiera filmy krótkometrażowe, występy na żywo, muzykę, animacje, rozmowy i wiele innych, zdobył nagrodę Emmy za kreatywne osiągnięcia w dziedzinie mediów interaktywnych – Social TV Experience. Projekt hitRECord, „Band Together with Logic”, jest godzinnym specjalnym programem YouTube Originals, w którym nominowany do nagrody Grammy raper Logic otwiera swój proces twórczy jak nigdy dotąd, zapraszając świat do współpracy z nim nad oryginalną piosenką i teledyskiem.
W 2016 roku ACLU uhonorowało Gordona-Levitta swoją coroczną nagrodą Bill of Rights Award za wspieranie wysiłków na rzecz różnorodności, promowanie wolności słowa, wzmacnianie pozycji kobiet i w inny sposób wspieranie praw i wolności obywatelskich dla wszystkich Amerykanów.
