Joseph Leonard Gordon-Levitt est né le 17 février 1981 à Los Angeles, en Californie, de Jane Gordon et Dennis Levitt. Joseph a été élevé dans une famille juive avec son défunt frère aîné, Dan Gordon-Levitt, qui est décédé en octobre 2010. Ses parents travaillaient pour la station de radio Pacifica KPFK-FM et son grand-père maternel, Michael Gordon, avait été un réalisateur de films très connu. Joseph s’est d’abord fait connaître pour son rôle principal dans la série comique primée de NBC, 3rd Rock from the Sun (1996). Au cours de ses six saisons dans la série, il a remporté deux YoungStar Awards et a également partagé trois nominations au Screen Actors Guild Award® pour la meilleure performance d’un ensemble de série comique.
Avant son succès à la télévision, Joseph avait déjà travaillé régulièrement dans des longs métrages. Au début de sa carrière, il a remporté un Young Artist Award pour son premier grand rôle, dans le drame A River Runs Through It (1992) de Robert Redford. Au cours des années 1990, il a également joué dans les films Angels in the Outfield (1994), The Juror (1996), Halloween H20 : 20 Years Later (1998), une suite de slasher très bien accueillie, et 10 Things I Hate About You (1999), aux côtés de Heath Ledger, qui est devenu un classique de la comédie pour adolescents.
Après avoir travaillé sur 3rd Rock, Joseph a pris un temps d’arrêt pour étudier à l’université de Columbia. Au début des années 2000, il sort du moule de ses seconds rôles comiques à la télévision et au cinéma en apparaissant dans une série de rôles dramatiques intenses, principalement dans de petits films indépendants, comme Manic (2001), avec Don Cheadle ; Mysterious Skin (2004), pour le scénariste/réalisateur Gregg Araki ; le premier film primé de Rian Johnson, le thriller dramatique Brick (2005) (2005) ; Shadowboxer (2005) de Lee Daniels ; le drame policier The Lookout (2007), qui marque les débuts de Scott Frank en tant que réalisateur ; Killshot (2008) de John Madden, avec Diane Lane et Mickey Rourke ; le film de Spike Lee Miracle at St. Anna (2008) ; et le drame controversé Stop-Loss (2008), dans lequel il joue avec Ryan Phillippe, sous la direction de Kimberly Peirce. En 2009, Joseph s’est officiellement imposé comme l’un des acteurs principaux de la nouvelle génération grâce à son rôle nommé aux Golden Globes dans la comédie dramatique 500 Days of Summer (2009) de Marc Webb, avec Zooey Deschanel, pour lequel il a été nommé aux Golden Globes, aux Independent Spirit Awards et aux People’s Choice Awards. Il a également adapté la nouvelle d’Elmore Leonard Sparks (2009) en un court-métrage de 24 minutes qu’il a réalisé et qui a été projeté au Festival du film de Sundance.
Au début de la nouvelle décennie, il a été la tête d’affiche du drame indépendant Hesher (2010) et s’est imposé comme une star de l’action dans Inception (2010) de Christopher Nolan, avec également Leonardo DiCaprio, Marion Cotillard et Ellen Page. En conciliant le cinéma indépendant et hollywoodien, Joseph a obtenu un autre Golden Globe pour le drame sur le cancer 50/50 (2011), réalisé par Jonathan Levine et avec Seth Rogen, Anna Kendrick et Bryce Dallas Howard. Il a retravaillé avec le réalisateur Nolan sur The Dark Knight Rises (2012), le troisième et dernier volet de la série Batman du réalisateur, pour lequel il a été nommé au People’s Choice Award de l’acteur de film préféré. Il a également décroché des rôles principaux dans Premium Rush (2012), réalisé par David Koepp, et Looper (2012), dans lequel il a retrouvé son réalisateur de Brick, Rian Johnson, aux côtés de Bruce Willis et Emily Blunt. Pour terminer l’année, il a joué le rôle de Robert, le fils d’Abraham Lincoln, dans le film Lincoln (2012) de Steven Spielberg, nommé aux Oscars, avec Daniel Day-Lewis et Sally Field.
En 2013, Gordon-Levitt a joué dans son premier long métrage de réalisation, Don Jon (2013), acclamé par la critique et tiré d’un scénario qu’il a écrit, aux côtés de Scarlett Johansson et Julianne Moore. Il a été nommé à l’Independent Spirit Award du « meilleur premier scénario » pour ce film. Il a également fourni la voix de Jiro Horikoshi dans la version anglaise de 2014 du long métrage d’animation de Hayao Miyazaki nommé aux Oscars, The Wind Rises (2013), et est apparu dans Sin City de Robert Rodriguez et Frank Miller : A Dame to Kill For (2014), dans lequel il joue Johnny, un personnage créé par Miller pour le film. En 2015, il a joué dans The Walk (2015), réalisé par Robert Zemeckis, et dans lequel il incarnait Philippe Pettit, et en 2016, il a été la tête d’affiche de Snowden (2016) d’Oliver Stone.
Joseph a terminé la production de Project Power (2020), film de science-fiction d’Henry Joost/Ariel Schulman pour Netflix, dans lequel il joue aux côtés de Jamie Foxx, et du thriller indépendant 7500 (2019), écrit et réalisé par Patrick Vollarth. Parmi ses autres projets, il jouera le rôle de l’avocat Richard Schultz dans The Trial of the Chicago 7 (2020) d’Aaron Sorkin, et est en développement sur une variété de longs métrages, dont Fraggle Rock.
Joseph a également fondé et dirige hitRECord, une production collaborative ouverte. hitRECord crée et développe l’art et les médias collectivement à l’aide de leur site Web où toute personne disposant d’une connexion Internet peut télécharger ses enregistrements, télécharger et remixer ceux des autres, et travailler ensemble sur des projets. Lorsque les résultats de ces RECords sont produits et génèrent un profit, hitRECord partage les bénéfices à parts égales avec tous ceux qui ont contribué à la production finale. hitRECord a publié des livres, sorti des disques, fait des tournées et a projeté son travail dans des festivals importants, notamment Sundance et TIFF. Le programme de variétés d’une demi-heure, « Hit Record on TV with Joseph Gordon-Levitt », qui comprend des courts métrages, des performances en direct, de la musique, des animations, des conversations et bien d’autres choses encore, a remporté un Emmy Award pour la réalisation créative dans le domaine des médias interactifs – Expérience de télévision sociale. Le projet de hitRECord, « Band Together with Logic », est une émission spéciale d’une heure sur YouTube Originals qui voit le rappeur Logic, nommé aux Grammy Awards, ouvrir son processus créatif comme jamais auparavant, en invitant le monde à collaborer avec lui sur une chanson originale et un clip musical.
En 2016, l’ACLU a honoré Gordon-Levitt avec leur prix annuel Bill of Rights Award pour avoir fait avancer les efforts de diversité, promouvoir la liberté d’expression, autonomiser les femmes et autrement soutenir les droits civils et les libertés pour tous les Américains.
