Joseph Leonard Gordon-Levitt se narodil 17. února 1981 v Los Angeles v Kalifornii Jane Gordonové a Dennisi Levitovi. Joseph vyrůstal v židovské rodině se svým zesnulým starším bratrem Danem Gordon-Levittem, který zemřel v říjnu 2010. Jeho rodiče pracovali pro rozhlasovou stanici Pacifica KPFK-FM a dědeček z matčiny strany, Michael Gordon, byl známým filmovým režisérem. Joseph se poprvé proslavil hlavní rolí v oceňovaném komediálním seriálu stanice NBC Třetí skála od slunce (1996). Během šesti sezón v tomto seriálu získal dvě ceny YoungStar a podílel se také na třech nominacích na Screen Actors Guild Award® za vynikající výkon hereckého ansámblu v komediálním seriálu.
Před svým úspěchem v televizi Joseph již stabilně pracoval v celovečerních filmech. Na počátku své kariéry získal cenu Young Artist Award za svou první velkou roli v dramatu Roberta Redforda A River Runs Through It (1992). V 90. letech si zahrál také ve filmech Andělé v poli (1994), Porotce (1996), Halloween H20: 20 let poté (1998), dobře hodnoceném pokračování slasheru, a 10 věcí, které na tobě nenávidím (1999) po boku Heatha Ledgera, který se stal klasikou teenagerovských komedií.
Po práci na seriálu 3rd Rock si Joseph vzal od herectví pauzu a začal studovat na Kolumbijské univerzitě. Počátkem roku 2000 se vymanil ze šablony svých televizních a filmových komediálních vedlejších rolí a objevil se v řadě intenzivních dramatických rolí, většinou v menších nezávislých filmech, jako je Manic (2001) s Donem Cheadlem; Mysterious Skin (2004) pro scenáristu a režiséra Gregga Arakiho; oceňovaném debutu Riana Johnsona, dramatickém thrilleru Brick (2005) (2005); Shadowboxer (2005) Lee Danielse; kriminálním dramatu The Lookout (2007), který znamenal režijní debut Scotta Franka; Killshot (2008) Johna Maddena s Diane Lane a Mickey Rourkem; filmu z druhé světové války Miracle at St. Anny (2008); a kontroverzní drama Stop-Loss (2008), v němž si pod vedením Kimberly Peirce zahrál s Ryanem Phillippe. V roce 2009 se Joseph oficiálně zařadil mezi novou generaci hlavních představitelů díky roli nominované na Zlatý glóbus v komediálním dramatu Marca Webba 500 dní léta (2009), kde si zahrála i Zooey Deschanel , za kterou získal nominace na Zlatý glóbus, Independent Spirit Award a People’s Choice Award. Adaptoval také povídku Elmora Leonarda Sparks (2009) do podoby 24minutového krátkého filmu, který režíroval a který byl promítán na festivalu Sundance.
Na začátku nového desetiletí se představil v hlavní roli nezávislého dramatu Hesher (2010) a prosadil se jako akční hvězda ve filmu Christophera Nolana Počátek (2010), kde si zahráli také Leonardo DiCaprio, Marion Cotillard a Ellen Page. Joseph, který balancuje mezi nezávislým a hollywoodským filmem, získal další Zlatý glóbus za drama o rakovině 50/50 (2011) režiséra Jonathana Levina, v němž si zahráli také Seth Rogen, Anna Kendrick a Bryce Dallas Howard. S režisérem Nolanem opět spolupracoval na filmu Temný rytíř povstal (2012), třetím a posledním dílu režisérovy batmanovské série, za který získal nominaci na cenu People’s Choice Award pro nejoblíbenějšího filmového herce, a získal hlavní role ve filmech Premium Rush (2012) režiséra Davida Koeppa a Looper (2012), kde se znovu setkal s režisérem filmu Brick, Rianem Johnsonem, po boku Bruce Willise a Emily Blunt. Na závěr roku si zahrál syna Abrahama Lincolna Roberta ve filmu Stevena Spielberga Lincoln (2012), nominovaném na Oscara, s Danielem Day-Lewisem a Sally Fieldovou.
V roce 2013 si Gordon-Levitt zahrál ve svém kritikou oceňovaném režijním debutu Don Jon (2013) podle vlastního scénáře po boku Scarlett Johansson a Julianne Moore. Za tento film byl nominován na cenu Independent Spirit Award v kategorii „Nejlepší první scénář“. V roce 2014 také propůjčil hlas Jiro Horikoshimu v anglicky mluvené verzi na Oscara nominovaného animovaného filmu Hayao Miyazakiho The Wind Rises (2013) a objevil se ve filmu Roberta Rodrigueze a Franka Millera Sin City: A Dame to Kill For (2014), kde hrál Johnnyho, postavu, kterou Miller pro film vytvořil. V roce 2015 si zahrál ve filmu The Walk (2015) režiséra Roberta Zemeckise, v němž ztvárnil Philippa Pettita, a v roce 2016 se objevil v hlavní roli filmu Olivera Stonea Snowden (2016).
Joseph dokončil produkci sci-fi filmu Project Power (2020) Henryho Joosta a Ariela Schulmana pro Netflix, v němž hraje po boku Jamieho Foxxe, a nezávislého thrilleru 7500 (2019), který napsal a režíroval Patrick Vollarth. Mezi jeho další projekty patří role advokáta Richarda Schultze ve filmu Aarona Sorkina The Trial of the Chicago 7 (2020) a pracuje na řadě celovečerních filmů včetně Fraggle Rock.
Joseph také založil a řídí hitRECord, otevřenou kolaborativní produkci. hitRECord vytváří a rozvíjí umění a média kolektivně pomocí svých webových stránek, kam může kdokoli s připojením k internetu nahrávat své nahrávky, stahovat a remixovat nahrávky ostatních a společně pracovat na projektech. Když jsou výsledky těchto RECordů produkovány a přinášejí zisk, hitRECord se dělí o zisk 50/50 se všemi, kteří se na konečné produkci podíleli. hitRECord vydává knihy, vydává desky, jezdí na turné a promítá svou práci na velkých festivalech včetně Sundance a TIFF. Půlhodinový rozmanitý pořad „HitRecord on TV with Joseph Gordon-Levitt“, který zahrnuje krátké filmy, živá vystoupení, hudbu, animaci, konverzaci a další, získal cenu Emmy za kreativní počin v oblasti interaktivních médií – Social TV Experience. Projekt hitRECord „Band Together with Logic“ je hodinový speciál YouTube Originals, v němž rapper Logic, nominovaný na cenu Grammy, otevírá svůj tvůrčí proces jako nikdy předtím a zve svět ke spolupráci na originální písni a videoklipu.
V roce 2016 udělila ACLU Gordon-Levittovi výroční cenu Bill of Rights Award za podporu úsilí o rozmanitost, prosazování svobody slova, posilování postavení žen a další podporu občanských práv a svobod pro všechny Američany.
