Свою личную жизнь Джозеф Гордон-Левитт старается не афишировать, известно, что у него были отношения с актрисами Джулией Стайлз, Фиби Тонкин и Ларисой Олейник, а также моделями Ивэн Рэйчел Вуд и Девон Аоки.

20 декабря 2014 года Джозеф Гордон-Левитт женился на генеральном директоре и основательнице компании «Fellow Robots» Таше МакКоли.

Джозеф и Таша скрывали новость, что вскоре станут родителями, до последнего.

Стало известно, что 15 августа 2015 года в одной из из лучших клиник США Таша родила Джозефу сына. Об имени новорожденного пока ничего не сообщалось.