Joseph Leonard Gordon-Levitt 1981. február 17-én született a kaliforniai Los Angelesben Jane Gordon és Dennis Levitt gyermekeként. Joseph zsidó családban nőtt fel néhai bátyjával, Dan Gordon-Levitt-tel, aki 2010 októberében hunyt el. Szülei a Pacifica rádióállomásnál, a KPFK-FM-nél dolgoztak, anyai nagyapja, Michael Gordon pedig ismert filmrendező volt. Joseph először az NBC 3rd Rock from the Sun (1996) című díjnyertes vígjátéksorozatának főszereplésével vált ismertté. A sorozat hat évada alatt két YoungStar-díjat nyert, és három Screen Actors Guild Award®-jelölést is kapott a vígjátéksorozat együttesének kiemelkedő alakításáért.
A televíziós sikerei előtt Joseph már folyamatosan dolgozott játékfilmekben. Pályafutása elején Young Artist Awardot nyert első nagyobb szerepéért, Robert Redford A River Runs Through It (1992) című drámájában. Az 1990-es években szerepelt az Angels in the Outfield (1994), a The Juror (1996), a Halloween H20: 20 évvel később (1998), egy jó kritikát kapott slasher-folytatásban, és a 10 dolog, amit utálok benned (1999) című filmekben, Heath Ledger oldalán, ami egy tinivígjáték-klasszikus lett.
A 3rd Rockban való munkája után Joseph szünetet tartott a színészkedéssel, hogy a Columbia Egyetemre járjon. A 2000-es évek elején kitört a televíziós és filmvígjátéki mellékszerepeinek formájából, és egy sor intenzív drámai szerepben tűnt fel, főleg kisebb, független filmekben, mint például a Manic (2001), Don Cheadle-lel; Mysterious Skin (2004), Gregg Araki író/rendező számára; Rian Johnson díjnyertes debütáló drámai thrillere, a Brick (2005) (2005); Lee Daniels Shadowboxer (2005); a The Lookout (2007) című bűnügyi dráma, amely Scott Frank rendezői debütálása volt; John Madden Killshot (2008) című filmje Diane Lane-nel és Mickey Rourke-kal; Spike Lee második világháborús filmje, a Miracle at St. Anna (2008); és a Stop-Loss (2008) című ellentmondásos dráma (2008), amelyben Ryan Phillippe oldalán játszott, Kimberly Peirce rendezésében. 2009-re Joseph hivatalosan is a főszereplők új generációjához tartozott a Golden Globe-díjra jelölt szerepével Marc Webb 500 Days of Summer (2009) című vígjátékában, amelyben Zooey Deschanel is szerepelt, és amelyért Golden Globe-, Independent Spirit Award- és People’s Choice Award-jelölést kapott. Elmore Leonard Sparks (2009) című novelláját is feldolgozta egy 24 perces rövidfilmmé, amelyet ő rendezett, és amelyet a Sundance Filmfesztiválon vetítettek.
Az új évtized elején a Hesher (2010) című indie dráma főszereplője volt, és akciósztárként is megállta a helyét Christopher Nolan Inception (2010) című filmjében, amelyben Leonardo DiCaprio, Marion Cotillard és Ellen Page is szerepelt. A független és a hollywoodi filmek között egyensúlyozva Joseph újabb Golden Globe-díjat kapott a Jonathan Levine rendezte 50/50 (2011) című rákdrámáért, amelyben Seth Rogen, Anna Kendrick és Bryce Dallas Howard is szerepelt. Újra együtt dolgozott Nolan rendezővel a The Dark Knight Rises (2012) című filmben, a rendező Batman-sorozatának harmadik és egyben utolsó részében, amelyért People’s Choice Award-jelölést kapott a kedvenc filmszínész kategóriában; és főszerepet kapott a David Koepp által rendezett Premium Rush (2012) és a Looper (2012) című filmekben is, ahol újra találkozott a Brick rendezőjével, Rian Johnsonnal, Bruce Willis és Emily Blunt mellett. Az év zárásaként Abraham Lincoln fiát, Robertet alakította Steven Spielberg Oscar-díjra jelölt Lincolnjában (2012), Daniel Day-Lewis és Sally Field oldalán.
2013-ban Gordon-Levitt szerepelt a kritikusok által ünnepelt Don Jon (2013) című játékfilmes rendezői debütálásában, amelynek forgatókönyvét ő írta, Scarlett Johansson és Julianne Moore oldalán. A filmért a “Legjobb első forgatókönyv” Independent Spirit-díjra jelölték. Emellett ő adta Jiro Horikoshi hangját Hayao Miyazaki Oscar-díjra jelölt A szél feltámad (The Wind Rises, 2013) című animációs filmjének 2014-es angol nyelvű változatában, és szerepelt Robert Rodriguez és Frank Miller Sin City című filmjében: A Dame to Kill For (2014) című filmben, amelyben a Miller által a filmhez készített karaktert, Johnnyt alakította. 2015-ben szerepelt a Robert Zemeckis által rendezett The Walk (2015) című filmben, amelyben Philippe Pettit alakította, 2016-ban pedig Oliver Stone Snowden (2016) című filmjének főszerepét játszotta.
Joseph befejezte a Project Power (2020), Henry Joost/Ariel Schulman sci-fi filmjének gyártását a Netflix számára, amelyben Jamie Foxx oldalán játszik, valamint a Patrick Vollarth által írt és rendezett 7500 (2019) című független thrillerben. Egyéb projektjei közül Richard Schultz ügyvédet fogja alakítani Aaron Sorkin The Trial of the Chicago 7 (2020) című filmjében, és számos játékfilm, köztük a Fraggle Rock fejlesztésén dolgozik.
Joseph emellett megalapította és vezeti a hitRECordot, egy nyílt kollaboratív produkciót. hitRECord művészetet és médiát hoz létre és fejleszt kollektívan a weboldaluk segítségével, ahol bárki, akinek van internetkapcsolata, feltöltheti a lemezeit, letöltheti és remixelheti mások lemezeit, és együtt dolgozhat a projekteken. Amikor ezeknek a RECordoknak az eredményei elkészülnek és nyereséget termelnek, a hitRECord fele-fele arányban osztozik a nyereségen mindazokkal, akik hozzájárultak a végső produkcióhoz. A hitRECord könyveket adott ki, lemezeket jelentetett meg, turnézott, és munkáit olyan jelentős fesztiválokon mutatták be, mint a Sundance és a TIFF. A félórás változatos műsor, a “HitRecord on TV with Joseph Gordon-Levitt”, amely rövidfilmeket, élő előadásokat, zenét, animációt, beszélgetést és egyebeket tartalmaz, Emmy-díjat nyert az Interaktív média kreatív teljesítménye – közösségi TV-élmény kategóriában. A hitRECord projektje, a “Band Together with Logic” egy egyórás YouTube Originals különkiadás, amelyben a Grammy-jelölt rapper Logic soha nem látott módon nyitja meg kreatív folyamatát, és meghívja a világot, hogy működjenek együtt vele egy eredeti dal és zenei videó elkészítésében.
2016-ban az ACLU Gordon-Levittet az éves Bill of Rights díjjal tüntette ki a sokszínűségi törekvések előmozdításáért, a szólásszabadság előmozdításáért, a nők helyzetének erősítéséért és egyéb módon minden amerikai polgárjog és szabadságjog támogatásáért.
