Джозеф Леонард Гордон-Левитт родился 17 февраля 1981 года в Лос-Анджелесе, штат Калифорния, США. В возрасте четырех лет поступил в группу музыкального театра и играл Страшилу в постановке «Волшебника из страны ОЗ». А в шесть лет Джозеф снялся в телевизионной рекламе арахисового масла, шоколадных хлопьев, печенья и обуви.

Вскоре после этого он получил роли второго плана в телевизионных фильмах «Ни шагу назад» (1988) с Томми Ли Джонсом в главной роли и «Счеты» (1989) с Жаклин Смит.

После главной роли в недолго просуществовавшем ремейке сериала «Темные тени» (1991), он дебютировал c небольшой ролью в художественном фильме «Бетховен» (1992). В том же году Джозеф получил роль персонажа Крейга Шеффера в детстве в классической повести Роберта Редфорда «Там, где течет река». В 1993 году за эту роль актёр получил премию Young Artist Award.

В 12 лет Джозеф исполнил главную роль Грегори в фильме «Поменять родителей», основанном на реальной истории мальчика, который выиграл в суде право развестись с родителями. Далее последовали более значительные роли, включая юного мужа Патриции Аркетт в комедии «Святые узы брака» (1994), и появился в главной роли в успешном диснеевском фильме «Ангелы у кромки поля».

В 1996 году он получил роль в комедийном сериале «Третья планета от Солнца» о квартете пришельцев, которые приняли облик обычных жителей пригорода, чтобы изучать поведение людей. Сериал продержался пять сезонов, сделав весь актерский состав популярными. За свою игру Гордон-Левитт был три раза номинирован на премию Американской гильдии киноактеров и получил две премии «Молодая звезда» в 1997 и в 1998 годах. Джозеф в 1999 году был выбран одним из списка «21 самая сексуальная звезда до 21 года» по версии журнала «Teen People Magazine».

В 2000 году он поступил в Колумбийский университет, чтобы изучать историю, литературу и французскую поэзию. В студенческие годы практически не снимался.

Но в 2004 году окончив университет, Джозеф вернулся к карьере в сфере кинематографа. В 2004 году – сыграл гея «по вызову» в картине «Загадочная кожа», эта роль также принесла ему высшую актерскую награду на международном кинофестивале в Сиетле и номинацию от Gotham Awards. А через год в его фильмографии оказался фильм в жанре «нуар» под названием «Кирпич». Критики были в восторге от образов его героя.

В 2010 году Джозеф Гордон-Левитт принял участие в съёмках фильма «Начало», который, выйдя в прокат, произвёл настоящий фурор. И критики, и зрители назвали «Начало» фильмом года и отметили талантливую игру актёра.

В 2011 году Джозеф сыграл главную роль в комедии «Жизнь прекрасна», а в 2012 году исполнил роль Блейка в фантастическом фильме «Темный рыцарь: Возрождение легенды».

В том же 2012 году Джозеф вместе с Брюсом Уиллисом снялся в фантастическом боевике «Петля времени».

В 2013 году Гордон-Левитт сыграл главную роль в своей дебютной, в качестве режиссера, картине под названием «Страсти Дон Жуана», в которой также снялись Скарлетт Йоханссон и Джулианна Мур.

В 2014 году актер появился в криминальном триллере «Город грехов 2: Женщина, ради которой стоит убивать», а также закончился сниматься в фильмах «Прогулка» и «Безымянный Рождественский проект», выход которых запланирован на осень 2015 года.

Кроме того, в 2014 году стало известно, что Джозеф занят в проекте Оливера Стоуна «Файлы Сноудена», в котором исполняет роль Эдварда Сноудена.

В свободное от сьемок время, Гордон-Левитт любит играть на гитаре, играть с друзьями футбол, кататься на роликах и программировать собственный компьютер.