Gordon-Levitt, secondo di due figli, è nato a Los Angeles, da una famiglia ebraica[1][2], ma è cresciuto a Sherman Oaks, California. Suo padre, Dennis Levitt, è stato redattore per la stazione radio "politicamente progressista" KPFK-FM. Sua madre, Jane Gordon (figlia del regista Michael Gordon), si candidò alle elezioni per il Congresso in California durante gli anni settanta per il Peace and Freedom Party e incontrò Dennis Levitt mentre lavorava come editor per la KPFK-FM. Joseph aveva un fratello, Dan, fotografo e fire spinner, morto nel 2010 a soli 36 anni per un'overdose.

Gli inizi della carriera

Si unì ad un gruppo teatrale musicale all'età di quattro anni ed ebbe la parte dello spaventapasseri in un adattamento de Il mago di Oz. Avvicinato successivamente da un agente, apparì in televisione e in spot pubblicitari per il burro d'arachidi Sunny Jim, per Cocoa Puffs, Pop-Tarts e Kinney Shoes

Gordon-Levitt fece il suo debutto all'età di sei anni, comparendo in numerosi film tv alla fine degli anni ottanta e in due episodi della serie tv Casa Keaton. Dopo aver ottenuto un ruolo da protagonista nel remake di breve durata della soap opera Dark Shadow nel 1991, debutta al cinema come comparsa nel 1992 in Beethoven. Quello stesso anno, interpreta la versione infantile del personaggio di Craig Sheffer in In mezzo scorre il fiume di Robert Redford.

A dodici anni, diede volto e corpo a Gregory, protagonista del film Gregory K., basato sulla storia vera di Gregory Kingsley, un ragazzino che ottenne legalmente il diritto di separarsi dai propri genitori. Nel 1994 interpretò un ragazzo Hutterita nella commedia Marito a sorpresa, e fu protagonista di una pellicola di successo targata Disney, Angels. Nel 1996 si calò nei panni di Tommy Solomon nella sitcom Una famiglia del terzo tipo, un ruolo che gli valse grande fama. Il San Francisco Chronicle notò l'ironia del fatto che Gordon-Levitt fosse un "ragazzino ebreo nella parte di un extraterrestre che finge di essere un ragazzino ebreo".

La fine degli anni novanta lo vede apparire in numerosi film, tra cui Il giurato nel ruolo del figlio del personaggio interpretato da Demi Moore, l'horror Halloween - 20 anni dopo, in cui viene assassinato prima dei titoli di testa, e la commedia adolescenziale ispirata a Shakespeare 10 cose che odio di te in cui figura tra i protagonisti. Fu anche una guest-star nella prima stagione di That '70 Show, nell'episodio Eric's Buddy come il compagno di scuola gay di Eric Forman, e prestò la propria voce a Jim Hawkins, protagonista del film d'animazione Disney Il pianeta del tesoro.

Durante gli anni '90 le sue foto sono apparse su numerose riviste per teenager, una cosa che lo ha amareggiato. Ha anche dichiarato che, in quello stesso periodo, non gli piaceva essere riconosciuto in pubblico, specificando che "odiava la celebrità". Gordon-Levitt lasciò il set di Una famiglia del terzo tipo nel corso dell'ultima stagione, chiedendo di sciogliere il suo contratto. Per i due anni seguenti abbandonò la recitazione e frequentò la Columbia University, studiando storia, poesia e letteratura francesi[3]. Dai tempi dei suoi studi alla Columbia, è divenuto per sua stessa affermazione un avido francofilo. Ha anche affermato che trasferirsi a New York dalla sua città natale lo ha "obbligato" a crescere come persona[5]. Gordon-Levitt ha abbandonato gli studi universitari nel 2004 per concentrarsi nuovamente sulla recitazione.

Il successo

Gordon-Levitt ha dichiarato di aver preso la decisione consapevole di voler "fare buoni film" dopo aver ripreso a recitare. Dall'inizio del decennio è infatti apparso in quella che il Boston Herald ha definito «una serie di pellicole indipendenti acclamate e poco viste» che «lo hanno etichettato come l'astro nascente nel circuito del cinema indipendente» e che include Manic, un dramma del 2001 ambientato in un manicomio, Mysterious Skin, del 2004, in cui interpreta un giovane prostituto gay vittima di abusi sessuali infantili e Brick - Dose mortale, del 2005, un noir moderno ambientato in una scuola superiore (San Clemente High School) in cui è il protagonista Brendan Frye, un adolescente che rimane coinvolto in un giro di droghe mentre indaga su un omicidio.

Brick - Dose mortale ha ricevuto recensioni positive, come nel Minnesota Daily, il quale commenta che Gordon-Levitt ha interpretato il personaggio "meravigliosamente", "fedele allo stile del film", "distaccato ma non disincantato" e "sexy nel modo più ambiguo", mentre in un'altra recensione la performance viene definita "sbalorditiva".

La fatica successiva di Gordon-Levitt è Sguardo nel vuoto, in cui interpreta Chris Pratt, un guardiano coinvolto in una rapina a una banca. La pellicola è uscita negli Stati Uniti il 30 marzo 2007. Recensendo il film, il Philadelphia Inquirer ha descritto Gordon-Levitt come «un sorprendentemente formidabile, e formidabilmente sorprendente» protagonista[10], mentre il New York Magazine ha affermato che è «il principale attore tabula rasa... un minimalista» e che il suo personaggio funziona perché «non afferra lo spazio... da ciò che porta via al personaggio»; il San Francisco Chronicle specifica che egli «impersona, più che recitare, la vita interiore di un personaggio». Parecchi critici hanno suggerito la sua interpretazione in Sguardo nel vuoto farà di Gordon-Levitt in un attore mainstream.

Nel 2008 è uscito Killshot, in cui interpreta un killer psicopatico al fianco di Diane Lane e Mickey Rourke. I suoi progetti futuri includono Stop-Loss, diretto da Kimberly Peirce e incentrato sulle vicende di alcuni soldati americani tornati dal fronte iracheno. Nel 2009 viene scelto da Christopher Nolan per il kolossal Inception, nel quale affianca il protagonista Leonardo DiCaprio e un'altra giovane promessa hollywoodiana proveniente dal circuito indipendente, Ellen Page; per il suo ruolo era stato selezionato inizialmente James Franco, ma questi ha dovuto declinare perché già impegnato.

Sempre nel 2009 esce la commedia romantica (500) giorni insieme, diretto da Marc Webb. La pellicola ha ricevuto critiche molto positive e Gordon-Levitt riceve una candidatura al Golden Globe come miglior attore in un film commedia o musicale. L'attore ha poi recitato nel film dedicato a Batman Il cavaliere oscuro - Il ritorno del 2012, in cui interpreta R. John Blake, tornando così a collaborare con il regista, sceneggiatore e produttore Christopher Nolan.

A febbraio 2012 l'attore ha dichiarato di voler debuttare alla regia con un lungometraggio da lui scritto e interpretato. Don Jon (inizialmente conosciuto come Don Jon's Addiction), questo il titolo della commedia, è entrato in produzione nell'estate dello stesso anno e ha come protagonista un giovane dongiovanni che, dopo l'incontro con una donna matura, decide di mettere la testa a posto e diventare una persona migliore. Tra le interpreti femminili figurano Scarlett Johansson, Julianne Moore e Brie Larson.

Nel 2013 interpreta "Johnny" in Sin City - Una donna per cui uccidere diretto da Robert Rodriguez, sequel del film del 2005 basato sull'omonima graphic novel di Frank Miller.Nel 2015 è protagonista di The Walk, nel ruolo di Philippe Petit, l'uomo che nel 1974 riuscì a camminare su un cavo d'acciaio fra le Torri Gemelle, a più di 400 metri d'altezza. Il film è stato presentato al Festival di Roma.

Il 16 settembre 2016 esce Snowden, diretto da Oliver Stone. Gorden-Levitt interpreta Edward Snowden, tecnico informatico ex dipendente della Central Intelligence Agency (CIA) responsabile della rivelazione di informazioni segrete governative su programmi di intelligence, tra cui il programma di intercettazioni telefoniche.