Джозеф Леонард Гордон-Левитт родился 17 февраля 1981 года в Лос-Анджелесе, в Калифорнии. Джозеф - из кинематографической семьи, его брат Дэниел – продюсер, а дед - известный режиссер Майкл Гордон, автор фильмов "Сирано де Бержерак" (1950) и "Интимный разговор" (1959).
Свою актерскую карьеру Джозеф начал в раннем возрасте: уже в 1992 году он сыграл у Роберта Редфорда в фильме "Там, где течет река". А с 1996 года он играл в популярном телевизионном сериале "Третья планета от Солнца", за который получил две премии от издания The Hollywood Reporter и премию Гильдии киноактёров США. Кроме того, Джозеф сыграл одну из ведущих ролей в комедии "10 причин моей ненависти".
В 2001 году Гордон-Левитт закончил Колумбийский университет. В этом же году сериал "Третья планета от Солнца" был снят с эфира, и актер практически полностью перешёл к съёмкам у независимых режиссёров. Он снялся фильмах "Маниакальный", "Последние дни", озвучил персонажа Джима Хопкинска в "Планете сокровищ" и принял участие в сериале "4исла".
В 2005 году актёр получил широкое признание публики и позитивные отзывы критиков за роль уличного хастлера в фильме режиссёра Грегга Араки "Загадочная кожа". А чуть позже на экраны в ограниченный прокат вышел фильм Райана Джонсона "Кирпич" — университетский детектив, в котором Джозеф сыграл студента, расследующего таинственную гибель своей бывшей подружки. Кроме того, Джозефа можно увидеть в роли наёмного убийцы в триллере "Киллер" 2008 года с участием Дайан Лэйн и Микки Рурка.
В 2009 году Джозеф снялся в главной роли в романтической комедии "500 дней лета" в паре с Зоуи Дешанель. За роль влюбленного романтика Томаса Хэнсона он был номинирован на "Золотой Глобус" и премию Independent Spirit Award. В 2010 году выходят сразу несколько фильмов с участием Джозефа: "Одиннадцатое свидание Моргана и Дестини : Зоопарк Цеппелин", где Джозеф выступает в роли рассказчика, "Электра Люкс" и "У меня рак". Большим событием стала премьера блокбастера Кристофера Нолана "Начало", в котором, помимо Джозефа, сыграли Леонардо ДиКаприо, Марион Котийяр, Эллен Пейдж, Майкл Кейн и другие отличные актеры.
В 2011 ожидаются премьеры картин "Отменная погоня" и "Король лягушек".