Joseph Leonard Gordon-Levitt, 17 Şubat 1981’de Los Angeles, California’da Jane Gordon ve DennisLevitt’in oğlu olarak dünyaya geldi. Joseph, ağabeyi Dan Gordon-Levitt ile Yahudi bir ailede büyüdü. Ailesi, Pacifica Radyo istasyonu KPFK-FM’de çalışıyordu ve anne tarafından büyükbabası Michael Gordon, tanınmış bir film yönetmeniydi. Joseph ilk olarak NBC’nin ödüllü komedi dizisi 3. Rock from the Sun’daki (1996) başrolüyle tanındı. Dizideki altı sezon boyunca gösterdiği performansı ona iki Young Star Ödülü kazandırdı ve ayrıca bir Komedi Dizisi Topluluğu tarafından Üstün Performans dalında üç Screen Actors Guild Award adaylığını aldı.
Joseph televizyondaki başarısından önce, uzun metrajlı filmlerde istikrarlı bir şekilde çalışmıştı. Kariyerinin başlarında, Robert Redford’un, Bizi Ayıran Nehir (1992) filmindeki ilk büyük rolü ile Genç Sanatçı Ödülü kazandı. 1990’lı yıllarda, Angels in the Outfield (1994), Tuzak (1996), iyi eleştirilmiş bir devam filmi olan Halloween 7 – Korku Bayramı (1998) ve bir gençlik komedi klasiği haline gelen Heath Ledger’ın karşısında Senden Nefret Etmemin 10 Sebebi (1999) filmlerinde rol aldı.
3rd Rock’taki çalışmasının ardından Joseph, Columbia Üniversitesi’nde oyunculuktan ayrıldı. 2000’lerin başında, Don Cheadle ile birlikte Manic (2001) gibi daha küçük, bağımsız filmlerde bir dizi yoğun dramatik bölümlerde rol alarak televizyon ve filmlerde izleyicinin gözünde oluşan kalıptan çıkmayı başardı. 2004 yılında yazar ve yönetmen Gregg Araki’nin, Mysterious Skin filminde rol aldı. Rian Johnson’ın ödüllü, dramatik gerilim filmi Asi Gençlik filmi ile 2005 yılında adını duyurdu. Daha sonrasında aynı yıl Lee Daniels’in, Shadowboxer filminde rol aldı.
Yeni on yılın başında bağımsız dram filmi Hesher’ı (2010) yönetti ve Christopher Nolan’ın, Başlangıç’da(2010)Leonardo DiCaprio, Marion Cotillard ve Ellen Page’in de oynadığı filmde bir aksiyon yıldızı olarak kendini kanıtladı. Hem bağımsız hem de Hollywood filmlerini dengeleyen Joseph, Jonathan Levine’in yönettiği ve ayrıca Seth Rogen, Anna Kendrick ve Bryce Dallas Howard’ın oynadığı dram filmi Şansa Bak (2011) için bir Altın Küre adaylığını daha aldı. En İyi Erkek Oyuncu dalında Halkın Seçimi Ödülü adaylığı aldığı Batman dizisinin üçüncü ve son filmi Kara Şövalye Yükseliyor (2012) filminde yine yönetmen Nolan’la birlikte çalıştı. David Koepp’in yönettiği Acil Teslim (2012) filminde baş rolü oynadı. Bruce Willis ve Emily Blunt’la, Tetikçiler’de (2012) başrolde yer aldı. Yılın sonlarında, Daniel Day-Lewis ve Sally Field ile Steven Spielberg’in, Oscar adaylı filmi Lincoln’de (2012) Abraham Lincoln’ün oğlu Robert’ı canlandırdı.
Gordon-Levitt, 2013 yılında eleştirmenlerce beğenilen ilk uzun metrajlı filmi Kalbim Sende’de (2013) Scarlett Johansson ve Julianne Moore’la birlikte yazdığı bir senaryoda oynadı. Film için “En İyi İlk Senaryo” dalında IndependentSpirit Ödülü’ne aday gösterildi. Hayao Miyazaki’nin Oscar adayı animasyon filmi Rüzgar Yükseliyor’un (2013) İngilizce versiyonunda Jiro Horikoshi’nin seslendirmesini yaptı ve Robert Rodriguez ve Frank Miller’ın Günah Şehri: Uğruna Öldürülecek Kadın (2014) filmlinde rol aldı. Miller’ın film için yarattığı Johnny karakterini canlandırdı. 2015 yılında Robert Zemeckis’in yönettiği ve Philippe Pettit’i canlandırdığı Tehlikeli Yürüyüş (2015) filminde rol aldı ve 2016’da Oliver Stone’un, Snowden (2016) filminde beyaz perdede göründü.
Joseph, Jamie Foxx ile birlikte rol aldığı Henry Joost / Ariel Schulman yapımcılığındaki bilim kurgu filmi Project Power (2020) adlı yapımda yer aldı. Sonrasında Patrick Vollarth’ın yazıp yönettiği bağımsız gerilim filmi 7500’de (2019) rol alı. Diğer projelerinin yanı sıra Aaron Sorkin’in, Şikago Yedilisi’nin Yargılanması’nda (2020) avukat Richard Schultz’u canlandırmıştır.