Il commence sa carrière derrière la caméra alors qu'il est encore étudiant à la Harvard University. Il y tourne plusieurs courts métrages et documentaires . En 1991, il signe sa première réalisation, le téléfilm Flight of Black Angel.
C'est en 1997 que Jonathan Mostow se révèle au grand public avec
Breakdown, thriller tendu et original interprété par
Kurt Russell, dont il est également le scénariste. La même année, il assure la fonction de producteur exécutif de
David Fincher pour The Game. Courtisé par Hollywood, le metteur en scène consolide sa réputation de faiseur efficace avec le thriller d'action subaquatique
U-571 interprété par
Matthew McConaughey et
Harvey Keitel.
En 2003, il atteint cependant un tout autre niveau en dirigeant
Arnold Schwarzenegger dans le très attendu Terminator 3 : le soulèvement des machines, l'un des films événements de l'année.