Joseph Leonard Gordon-Levitt blev født den 17. februar 1981 i Los Angeles, Californien, som søn af Jane Gordon og Dennis Levitt. Joseph voksede op i en jødisk familie sammen med sin afdøde storebror, Dan Gordon-Levitt, som døde i oktober 2010. Hans forældre arbejdede for Pacifica-radiostationen KPFK-FM, og hans bedstefar fra moderen, Michael Gordon, havde været en velkendt filminstruktør. Joseph blev først kendt for sin hovedrolle i NBC’s prisbelønnede komedieserie 3rd Rock from the Sun (1996). I løbet af sine seks sæsoner i serien vandt han to YoungStar Awards og delte også tre Screen Actors Guild Award®-nomineringer for Outstanding Performance by a Comedy Series Ensemble.
Forud for sin succes på tv havde Joseph allerede arbejdet støt og roligt i spillefilm. Tidligt i sin karriere vandt han en Young Artist Award for sin første store rolle, i Robert Redfords drama A River Runs Through It (1992). I løbet af 1990’erne spillede han også med i filmene Angels in the Outfield (1994), The Juror (1996), Halloween H20: 20 Years Later (1998), en velanmeldt slasher-fortsættelse, og 10 Things I Hate About You (1999), overfor Heath Ledger, som er blevet en teenage-komedieklassiker.
Efter sit arbejde med 3rd Rock tog Joseph en pause fra skuespillet for at gå på Columbia University. I begyndelsen af 2000’erne brød han med sine tv- og filmkomedie-bidroller ved at optræde i en række intense dramatiske roller, for det meste i mindre, uafhængige film, såsom Manic (2001) med Don Cheadle, Mysterious Skin (2004) for forfatteren/instruktøren Gregg Araki og Mysterious Skin (2004) med Don Cheadle; Rian Johnsons prisbelønnede debut, den dramatiske thriller Brick (2005) (2005); Lee Daniels’ Shadowboxer (2005); kriminaldramaet The Lookout (2007), som markerede Scott Franks instruktørdebut; John Maddens Killshot (2008), med Diane Lane og Mickey Rourke; Spike Lees 2. verdenskrigsfilm Miracle at St. Anna (2008) og det kontroversielle drama Stop-Loss (2008), hvor han spillede hovedrollen sammen med Ryan Phillippe, under ledelse af Kimberly Peirce. I 2009 var Joseph officielt etableret som en af en ny generation af hovedrolleindehavere med sin Golden Globe-nominerede rolle i Marc Webbs komediedrama 500 Days of Summer (2009), også med Zooey Deschanel i hovedrollen , for hvilken han modtog Golden Globe-, Independent Spirit Award- og People’s Choice Award-nomineringer. Han tilpassede også Elmore Leonards novelle Sparks (2009) til en 24-minutters kortfilm, som han instruerede, og som blev vist på Sundance Film Festival.
I begyndelsen af det nye årti spillede han hovedrollen i indie-dramaet Hesher (2010) og etablerede sig som actionstjerne i Christopher Nolans Inception (2010), der også havde Leonardo DiCaprio, Marion Cotillard og Ellen Page i hovedrollerne. Joseph balancerede mellem både independent- og Hollywood-film og scorede endnu en Golden Globe-notering for kræftdramaet 50/50 (2011), der er instrueret af Jonathan Levine og også har Seth Rogen, Anna Kendrick og Bryce Dallas Howard i hovedrollerne. Han arbejdede igen med instruktør Nolan på The Dark Knight Rises (2012), den tredje og sidste del af instruktørens Batman-serie, for hvilken han modtog en People’s Choice Award-nominering for favoritskuespiller, og han fik hovedroller i både Premium Rush (2012), instrueret af David Koepp, og Looper (2012), hvor han genforenes med sin Brick-instruktør, Rian Johnson, over for Bruce Willis og Emily Blunt. Som afslutning på året spillede han Abraham Lincolns søn Robert i Steven Spielbergs Oscar-nominerede Lincoln (2012) med Daniel Day-Lewis og Sally Field.
I 2013 spillede Gordon-Levitt hovedrollen i sin anmelderroste debut som instruktør af spillefilm, Don Jon (2013), efter et manuskript, han selv har skrevet, over for Scarlett Johansson og Julianne Moore. Han blev nomineret til en Independent Spirit Award for “Bedste første manuskript” for filmen. Han lagde også stemme til Jiro Horikoshi i den engelsksprogede version fra 2014 af Hayao Miyazakis Oscar-nominerede animationsfilm The Wind Rises (2013) og medvirkede i Robert Rodriguez og Frank Millers Frank Miller’s Sin City (2014): A Dame to Kill For (2014), hvor han spillede Johnny, en karakter, som Miller skabte til filmen. I 2015 spillede han hovedrollen i The Walk (2015), instrueret af Robert Zemeckis, hvor han portrætterede Philippe Pettit, og i 2016 spillede han hovedrollen i Oliver Stones Snowden (2016).
Joseph har afsluttet produktionen af Project Power (2020), Henry Joost/Ariel Schulman sci-fi-film for Netflix, hvor han spiller hovedrollen over for Jamie Foxx, og af den uafhængige thriller 7500 (2019), skrevet og instrueret af Patrick Vollarth. Blandt sine andre projekter skal han spille advokat Richard Schultz i Aaron Sorkins The Trial of the Chicago 7 (2020) og er under udvikling på en række spillefilm, herunder Fraggle Rock.
Joseph har også grundlagt og leder hitRECord, en åben samarbejdsproduktion. hitRECord skaber og udvikler kunst og medier kollektivt ved hjælp af deres hjemmeside, hvor alle med en internetforbindelse kan uploade deres plader, downloade og remixe andres plader og arbejde på projekter sammen. Når resultaterne af disse RECords produceres og giver overskud, deler hitRECord overskuddet 50/50 med alle, der har bidraget til den endelige produktion. hitRECord har udgivet bøger, udgivet plader, været på turné og har vist deres arbejde på store festivaler, herunder Sundance og TIFF. Det halvtimes varierede program “Hit Record on TV with Joseph Gordon-Levitt”, som omfatter kortfilm, liveoptrædener, musik, animation, samtale og meget mere, blev belønnet med en Emmy Award for Creative Achievement in Interactive Media – Social TV Experience. hitRECords projekt, “Band Together with Logic”, er et YouTube Originals-speciale af en times varighed, hvor den Grammy-nominerede rapper Logic åbner op for sin kreative proces som aldrig før og inviterer verden til at samarbejde med ham om en original sang og musikvideo.
I 2016 hædrede ACLU Gordon-Levitt med deres årlige Bill of Rights Award for at fremme bestræbelserne på mangfoldighed, fremme ytringsfrihed, styrke kvinder og på anden vis støtte borgerrettigheder og frihedsrettigheder for alle amerikanere.
