Joseph Leonard Gordon-Levitt syntyi 17. helmikuuta 1981 Los Angelesissa, Kaliforniassa Jane Gordonin ja Dennis Levittin lapsena. Joseph kasvoi juutalaisessa perheessä hänen edesmenneen isoveljensä Dan Gordon-Levittin kanssa, joka kuoli lokakuussa 2010. Hänen vanhempansa työskentelivät Pacifica Radio Station KPFK-FM -radioasemalla ja hänen äidin isoisänsä Michael Gordon oli ollut tunnettu elokuvaohjaaja. Joseph tuli ensimmäisen kerran tunnetuksi pääroolistaan NBC:n palkitussa komediasarjassa 3rd Rock from the Sun (1996). Kuuden tuotantokauden aikana hän voitti kaksi YoungStar-palkintoa ja sai myös kolme Screen Actors Guild Award® -ehdokkuutta komediasarjan ensemblen erinomaisesta suorituksesta.
Ennen menestystään televisiossa Joseph oli jo työskennellyt tasaisesti näytelmäelokuvissa. Uransa alkuvaiheessa hän voitti Young Artist Award -palkinnon ensimmäisestä suuresta roolistaan Robert Redfordin draamassa A River Runs Through It (1992). 1990-luvulla hän näytteli myös elokuvissa Angels in the Outfield (1994), The Juror (1996), Halloween H20: 20 vuotta myöhemmin (1998), joka oli hyvin arvosteltu slasher-elokuvan jatko-osa, ja 10 Things I Hate About You (1999), josta tuli teinikomedian klassikko Heath Ledgerin vastapuolella.
Työskenneltyään elokuvassa 3. Kallio (3rd Rock) Joseph piti taukoa näyttelijäntyön tekemisestä opiskellakseen Columbian yliopistossa. 2000-luvun alussa hän irtautui televisio- ja elokuvakomedioidensa sivuroolien muotista esiintymällä useissa intensiivisissä dramaattisissa rooleissa, enimmäkseen pienemmissä, itsenäisissä elokuvissa, kuten Manic (2001) Don Cheadlen kanssa; Mysterious Skin (2004), kirjailija/ohjaaja Gregg Arakille; Rian Johnsonin palkittu debyytti, dramaattinen trilleri Brick (2005) (2005); Lee Danielsin Shadowboxer (2005); rikosdraama The Lookout (2007), joka oli Scott Frankin ohjaajadebyytti; John Maddenin Killshot (2008), jossa näyttelivät Diane Lane ja Mickey Rourke; Spike Leen toisen maailmansodan aikainen elokuva Miracle at St. Anna (2008); ja kiistelty draama Stop-Loss (2008), jossa hän näytteli Ryan Phillippen kanssa Kimberly Peircen ohjauksessa. Vuoteen 2009 mennessä Joseph oli virallisesti vakiinnuttanut asemansa yhtenä uuden sukupolven johtavista miehistä Golden Globe -ehdokkuuden saaneessa roolisuorituksessaan Marc Webbin draamakomediassa 500 Days of Summer (2009), jota tähditti myös Zooey Deschanel , ja josta hän sai Golden Globe-, Independent Spirit Award- ja People’s Choice Award -ehdokkuudet. Hän myös sovitti Elmore Leonardin novellin Sparks (2009) ohjaamakseen 24-minuuttiseksi lyhytelokuvaksi, joka esitettiin Sundancen elokuvajuhlilla.
Uuden vuosikymmenen alussa hän näytteli pääosan indie-draamassa Hesher (2010) ja vakiinnutti asemansa toimintatähtenä Christopher Nolanin ohjaamassa elokuvassa Inception (2010), jota tähdittivät myös Leonardo DiCaprio, Marion Cotillard ja Ellen Page. Sekä itsenäisen että Hollywood-elokuvan välillä tasapainoileva Joseph sai toisen Golden Globe -palkinnon Jonathan Levinen ohjaamasta syöpädraamasta 50/50 (2011), jonka pääosissa nähdään myös Seth Rogen, Anna Kendrick ja Bryce Dallas Howard. Hän työskenteli jälleen ohjaaja Nolanin kanssa The Dark Knight Rises -elokuvassa (2012), ohjaajan Batman-sarjan kolmannessa ja viimeisessä osassa, josta hän sai People’s Choice Award -ehdokkuuden parhaan elokuvanäyttelijän kategoriassa. Lisäksi hän sai päärooleja David Koeppin ohjaamissa elokuvissa Premium Rush (2012) ja Looper (2012), jossa hän palasi yhteen Brick-ohjaajansa Rian Johnsonin kanssa, vastapuolella Bruce Willis ja Emily Blunt. Vuoden päätteeksi hän näytteli Abraham Lincolnin poikaa Robertia Steven Spielbergin Oscar-ehdokkuuden saaneessa elokuvassa Lincoln (2012) yhdessä Daniel Day-Lewisin ja Sally Fieldin kanssa.
Vuonna 2013 Gordon-Levitt näytteli kriitikoiden ylistämässä ohjaajadebyytissään Don Jonissa (2013) käsikirjoituksestaan vastapäätä Scarlett Johanssonia ja Julianne Moorea. Hän oli elokuvasta ehdolla Independent Spirit Award -palkinnon saajaksi ”parhaasta ensimmäisestä käsikirjoituksesta”. Hän antoi myös Jiro Horikoshin äänen vuonna 2014 ilmestyneessä englanninkielisessä versiossa Hayao Miyazakin Oscar-ehdokkuuden saaneesta animaatioelokuvasta The Wind Rises (2013) ja esiintyi Robert Rodriguezin ja Frank Millerin elokuvassa Frank Miller’s Sin City: A Dame to Kill For (A Dame to Kill For, 2014), jossa hän näytteli Johnnya, Millerin elokuvaa varten luomaa hahmoa. Vuonna 2015 hän näytteli Robert Zemeckisin ohjaamassa The Walk -elokuvassa (2015), jossa hän esitti Philippe Pettitiä, ja vuonna 2016 hän näytteli Oliver Stonen ohjaaman Snowdenin (2016) pääosassa.
Joseph on saanut valmiiksi Netflixin Henry Joostin/Ariel Schulmanin tieteiselokuvan Project Power (2020) tuotannon, jossa hän näyttelee Jamie Foxxin vastapuolella, sekä Patrick Vollarthin käsikirjoittaman ja ohjaaman riippumattoman trillerin 7500 (2019). Muiden projektiensa joukossa hän näyttelee asianajaja Richard Schultzia Aaron Sorkinin The Trial of the Chicago 7 -elokuvassa (2020), ja hän on kehitteillä useissa pitkissä elokuvissa, kuten Fraggle Rockissa.
Joseph on myös perustanut ja ohjaa hitRECordia, avointa yhteistuotantoa. hitRECord luo ja kehittää taidetta ja mediaa kollektiivisesti verkkosivullaan, jonne kuka tahansa, jolla on internetyhteys, voi ladata levyjään, ladata ja remixata toisten levyjä ja työskennellä projekteissa yhdessä. Kun näiden RECordien tulokset tuotetaan ja tuottavat voittoa, hitRECord jakaa voitot 50/50 kaikkien niiden kanssa, jotka ovat osallistuneet lopulliseen tuotantoon. hitRECord on julkaissut kirjoja, julkaissut levyjä, käynyt kiertueilla ja esitellyt teoksiaan suurilla festivaaleilla, kuten Sundancessa ja TIFFissä. Puolituntinen varieteeohjelma ”Hit Record on TV with Joseph Gordon-Levitt”, joka sisältää lyhytelokuvia, live-esityksiä, musiikkia, animaatiota, keskustelua ja paljon muuta, sai Emmy-palkinnon kategoriasta Creative Achievement in Interactive Media – Social TV Experience. HitRECordin projekti ”Band Together with Logic” on tunnin mittainen YouTube Originals -erikoisohjelma, jossa Grammy-ehdokkuuden saanut räppäri Logic avaa luovan prosessinsa ennennäkemättömällä tavalla ja kutsuu maailman tekemään yhteistyötä alkuperäisen kappaleen ja musiikkivideon parissa.
Vuonna 2016 ACLU palkitsi Gordon-Levittin vuotuisella Bill of Rights Award -palkinnollaan moninaisuuspyrkimysten edistämisestä, sananvapauden edistämisestä, naisten vaikutusvallan lisäämisestä ja muusta kaikkien yhdysvaltalaisten kansalais- ja muiden oikeuksien ja vapauksien tukemisesta.
