Joseph Leonard Gordon-Levitt nasce a Los Angeles il 17 febbraio 1981 da una famiglia ebraica liberal: la madre Jane negli anni Settanta è candidata al Congresso per il partito Freedom and Peace. È “nipote” d'arte: il nonno materno, Michael Gordon, fu un noto regista negli anni Quaranta: ha diretto tra gli altri la commedia con Doris Day e Rock Hudson Il letto racconta. Forse per via di questa vena artistica il piccolo Joseph inizia a recitare dalla tenera età di 4 anni (è lo Spaventapassari in una produzione del Mago di Oz) e a nemmeno 40 anni può vantare una filmografia ricchissima. A sei anni è protagonista nel doppio ruolo di David e Daniel Collins della serie tv Dark Shadows. Al cinema appare nel 1992 in In mezzo scorre il fiume. Tra i suoi titoli giovanili più importanti ci sono anche la partecipazione alla serie tv Pappa e ciccia (1993-1995) e al cinema Il giurato (1996) e Halloween 20 anni dopo (1998). Nel 1999 interpreta 10 cose cose che odio di te. Si prende poi una pausa dalla recitazione per iscriversi alla Columbia University di New York. Studia storia, letteratura e poesia francese (è un francofilo e conosce bene la lingua). Tra il 1996 e il 2001 è Tommy nella serie Una famiglia del terzo tipo. Al cinema interpreta tra gli altri Mysterious Skin, Miracolo a Sant'Anna e G. I. Joe - La nascita del cobra. Alternando tra cinema mainstream e film indipendenti, viene candidato al Golden Globe per la sua parte nel romantico (500) giorni insieme (2009). Nel 2011 ha un ruolo importante in Inception di Christopher Nolan. Nello stesso anno è coprotagonista del dramma indie di Jonathan Levine 50 e 50 per cui ottiene la sua seconda candidatura al Golden Globe. L'anno successivo indovina una bella serie di film: torna a lavorare con Nolan col ruolo di Blake ne Il cavaliere oscuro – Il ritorno, è Bruce Willis da giovane nel fantascientifico Looper di Rian Johnson – di cui nel 2005 ha interpretato anche Brick - ed è il figlio di Abraham, Robert Lincoln, in Lincoln di Steven Spielberg. L'anno successivo dirige il suo primo film, Don Jon, di cui è anche protagonista con Scarlett Johansson e Julianne Moore. Nel 2014 è Johnny, un personaggio creato appositamente da Frank Miller per Sin City – Una donna per cui uccidere. Nel 2015 è Philippe Petit in The Walk e torna a lavorare con Jonathan Levine in Sballati per le feste. Nel 2016 per Oliver Stone è protagonista di Snowden. È fondatore e direttore della hitRECord, una produzione aperta e democratica che attraverso il sito web, dove ognuno può uploadare le sue creazioni, crea e diffonde arte sotto forma di libri, dischi e cortometraggi. Nel 2014 ha sposato la fidanzata di vecchia data Tasha McCauley, che gli ha dato un figlio l'anno successivo.