Joseph Leonard Gordon-Levitt werd geboren op 17 februari 1981 in Los Angeles, Californië, als zoon van Jane Gordon en Dennis Levitt. Joseph groeide op in een Joods gezin met zijn overleden oudere broer, Dan Gordon-Levitt, die in oktober 2010 overleed. Zijn ouders werkten voor het Pacifica Radio station KPFK-FM en zijn grootvader van moeders kant, Michael Gordon, was een bekende filmregisseur. Joseph werd voor het eerst bekend door zijn hoofdrol in de bekroonde komedieserie 3rd Rock from the Sun (1996) van NBC. Tijdens zijn zes seizoenen in de serie won hij twee YoungStar Awards en deelde hij ook in drie Screen Actors Guild Award® nominaties voor Outstanding Performance by a Comedy Series Ensemble.
Voor zijn succes op televisie, had Joseph al gestaag gewerkt in speelfilms. Vroeg in zijn carrière won hij een Young Artist Award voor zijn eerste grote rol, in Robert Redford’s drama A River Runs Through It (1992). In de jaren negentig speelde hij ook mee in de films Angels in the Outfield (1994), The Juror (1996), Halloween H20: 20 Years Later (1998), een goed ontvangen vervolg op de slasherfilm, en 10 Things I Hate About You (1999), tegenover Heath Ledger, dat een klassieker in de tienerkomedie is geworden.
Na zijn werk aan 3rd Rock nam Joseph een tijdje vrij van acteren om naar Columbia University te gaan. In het begin van de jaren 2000, brak hij met de mal van zijn televisie en film komedie bijrollen door op te treden in een reeks van intense dramatische rollen, meestal in kleinere, onafhankelijke films, zoals Manic (2001), met Don Cheadle; Mysterious Skin (2004), voor schrijver / regisseur Gregg Araki; Rian Johnsons bekroonde debuut, de dramatische thriller Brick (2005); Lee Daniels’ Shadowboxer (2005); het misdaaddrama The Lookout (2007), Scott Franks regiedebuut; John Maddens Killshot (2008), met Diane Lane en Mickey Rourke; Spike Lee’s Tweede Wereldoorlog-film Miracle at St. Anna (2008); en het controversiële drama Stop-Loss (2008), waarin hij de hoofdrol speelde met Ryan Phillippe, onder regie van Kimberly Peirce. In 2009 werd Joseph officieel erkend als een nieuwe generatie hoofdrolspelers met zijn voor Golden Globe genomineerde rol in Marc Webb’s komedie-drama 500 Days of Summer (2009), met in de hoofdrol Zooey Deschanel, waarvoor hij Golden Globe, Independent Spirit Award en People’s Choice Award nominaties kreeg. Hij bewerkte ook het korte verhaal Sparks (2009) van Elmore Leonard tot een korte film van 24 minuten die hij regisseerde en die vertoond werd op het Sundance Film Festival.
Bij het begin van het nieuwe decennium speelde hij de hoofdrol in het indiedrama Hesher (2010) en vestigde hij zich als actiester in Inception (2010) van Christopher Nolan, met Leonardo DiCaprio, Marion Cotillard en Ellen Page in de hoofdrollen. Joseph, die een evenwicht zoekt tussen een onafhankelijke film en een Hollywoodfilm, scoorde nog een Golden Globe-nominatie voor het kankerdrama 50/50 (2011), geregisseerd door Jonathan Levine en met in de hoofdrollen Seth Rogen, Anna Kendrick en Bryce Dallas Howard. Hij werkte opnieuw samen met regisseur Nolan aan The Dark Knight Rises (2012), het derde en laatste deel in de Batman-reeks van de regisseur, waarvoor hij een People’s Choice Award-nominatie kreeg voor Favoriete Filmacteur; en hij kreeg hoofdrollen in zowel Premium Rush (2012), geregisseerd door David Koepp, als Looper (2012), een reünie met zijn Brick-regisseur, Rian Johnson, tegenover Bruce Willis en Emily Blunt. Om het jaar af te ronden speelde hij Abraham Lincolns zoon Robert in Steven Spielbergs Oscargenomineerde Lincoln (2012), met Daniel Day-Lewis en Sally Field.
In 2013 schitterde Gordon-Levitt in zijn veelgeprezen speelfilmregiedebuut Don Jon (2013), naar een door hem geschreven script, tegenover Scarlett Johansson en Julianne Moore. Hij werd genomineerd voor een Independent Spirit Award voor “Best First Screenplay” voor de film. Hij verzorgde ook de stem van Jiro Horikoshi in de 2014 Engelstalige versie van Hayao Miyazaki’s Academy Award-genomineerde animatiefilm The Wind Rises (2013), en verscheen in Robert Rodriguez en Frank Miller’s Sin City: A Dame to Kill For (2014), waarin hij Johnny speelde, een personage dat Miller voor de film creëerde. In 2015 speelde hij in The Walk (2015), geregisseerd door Robert Zemeckis, en waarin hij Philippe Pettit portretteerde, en in 2016 kopte Oliver Stone’s Snowden (2016).
Joseph heeft de productie afgerond van Project Power (2020), Henry Joost/Ariel Schulman sci-fi film voor Netflix, waarin hij schittert tegenover Jamie Foxx, en op de onafhankelijke thriller, 7500 (2019), geschreven en geregisseerd door Patrick Vollarth. Onder zijn andere projecten, zal hij advocaat Richard Schultz spelen in Aaron Sorkin’s The Trial of the Chicago 7 (2020), en is in ontwikkeling op een verscheidenheid aan speelfilms, waaronder Fraggle Rock.
Joseph heeft ook hitRECord opgericht en regisseert, een open collaboratieve productie. hitRECord creëert en ontwikkelt kunst en media collectief met behulp van hun website waar iedereen met een internetverbinding zijn platen kan uploaden, de platen van anderen kan downloaden en remixen, en samen aan projecten kan werken. Wanneer de resultaten van deze RECords worden geproduceerd en winst maken, verdeelt hitRECord de winst 50/50 met iedereen die heeft bijgedragen aan de uiteindelijke productie. hitRECord heeft boeken gepubliceerd, platen uitgebracht, is op tournee gegaan en heeft hun werk vertoond op grote festivals zoals Sundance en TIFF. Het half uur durende variétéprogramma “Hit Record on TV with Joseph Gordon-Levitt”, met korte films, live optredens, muziek, animatie, gesprekken en meer, heeft een Emmy Award gewonnen voor Creative Achievement in Interactive Media – Social TV Experience. hitRECord’s project, “Band Together with Logic,” is een YouTube Originals-special van een uur waarin Grammy-genomineerde rapper Logic zijn creatieve proces als nooit tevoren openstelt en de wereld uitnodigt om met hem samen te werken aan een origineel nummer en muziekvideo.
In 2016 eerde de ACLU Gordon-Levitt met hun jaarlijkse Bill of Rights Award voor het bevorderen van diversiteitsinspanningen, het bevorderen van vrije meningsuiting, het mondiger maken van vrouwen en het anderszins ondersteunen van burgerrechten en vrijheden voor alle Amerikanen.