Joseph Gordon-Levitt est le petit-fils du metteur en scène Michael Gordon, qui a réalisé Pillow Talk et
Cyrano de Bergerac. Le jeune acteur a commencé sa carrière au cinéma dès l'âge de sept ans, et son premier grand rôle fut dans Une équipe aux anges en 1993. Il est surtout connu pour son interprétation du rôle de Tommy Solomon dans Troisième planète après le Soleil. En 1999, il a joué dans
10 bonnes raisons de te larguer.
Il a aussi joué le personnage de Buddy Morgan, qui tombe amoureux d'Eric Forman dans un épisode de That '70s Show. En 2004, il a joué dans Mysterious Skin, un film de Gregg Araki qui fut acclamé par la critique mais dont les scènes de pédophilie ont suscité une vive controverse. Pour les besoins du film, Joseph Gordon-Levitt porte des lentilles bleues.
En 2009, il est à l'affiche de (500) jours ensemble, une comédie romantique au côte de Zooey Deschanel, dans le rôle de Tom, pour lequel il a reçu une nomination au Golden Globe du meilleur acteur dans un film musical ou une comédie.
Il est présent dans le film de science-fiction Inception de Christopher Nolan dont il partage l'affiche avec Leonardo DiCaprio, Ellen Page, Marion Cotillard, Michael Caine, Cillian Murphy et Ken Watanabe.
Par ailleurs le réalisateur Christopher Nolan envisagerait de l'engager pour un rôle indéterminé dans le troisième volet de Batman.
Il a également appris à parler français lorsqu'il était à la fac.