Né à Hawaï, Joseph Jason Namakaeha Momoa a vécu une partie de son enfance dans l'Iowa. Il est encore collégien lorsqu'il retourne sur son île natale et y finit sa scolarité. Momoa se lance ensuite dans une carrière de mannequin. Le succès lui sourit puisqu'en 1999, il est élu top-modèle masculin de l'année à Hawaï.

Son impressionnante musculature lui vaut d'être recruté la même année pour jouer dans une série télévisée américaine, et pas n'importe laquelle puisqu'il s'agit d'Alerte à Malibu. Le néo-acteur y interprète le personnage de Jason Ioane pendant deux ans. Jason reprend le même rôle en 2004 pour les besoins du téléfilm Mariage à Hawaï de Douglas Schwartz, qui met en scène les personnes de la série-culte dans une situation délocalisée à Hawaï.

Momoa continue de travailler pour le petit écran et apparaît de 2005 à 2008 dans Stargate : Atlantis où il interprète Ronon Dex, un guerrier à dreadlocks bourru et taciturne. Sa série suivante, Game of Thrones, va considérablement amplifier sa notoriété. S'il n'est présent que pendant la première saison (2011) du très populaire programme de HBO, son personnage de chef guerrier bourru Khal Drogo et le couple qu'il forme avec Emilia Clarke, sa "Khaleesi", marque les esprits. 

La même année, il incarne le rôle-titre de Conan, remake en 3D du film culte de John Milius, Conan le Barbare, où il a la lourde tâche de succéder à Arnold Schwarzenegger. Mais contrairement à Game of Thrones, ce projet d'heroic fantasy est un échec, aussi bien commercial que critique. 

Le natif de Hawaï est ensuite choisi par Walter Hill pour donner la réplique à Sylvester Stallone dans le film d'action Du Plomb dans la tête. L'acteur passe à la réalisation en 2014 en signant son premier long métrage, Road To Paloma, un thriller dont il est également le scénariste et l'interprète principal. Jason croise la route de Jim Carrey et Keanu Reeves dans The Bad Batch avant de se confronter à Bruce Willis dans le film d'action LA Rush. 

Momoa intègre en 2016 le DC Universe en prenant les traits du super-héros Aquaman dans Batman V Superman puis Justice League. Son personnage a droit en 2018 à son propre long-métrage, mis en scène par James Wan, dont le succès (1,14 milliard de dollars de recettes dans le monde) appelle une suite attendue pour 2023.

En parallèle, l'acteur est au générique de deux séries : Frontier, sur le conflit entre trappeurs et entrepreneurs pour le contrôle de la traite des fourrures au XVIIIe siècle aux États-Unis ; et la dystopique See sur Apple TV+, dans laquelle la population est devenue aveugle.

Avant de le revoir en roi des Sept Mers, l'acteur est à l'affiche de deux productions Netflix, Sweet Girl et La Petite Nemo et le Monde des rêves. On le retrouve ensuite dans deux grosses productions d'un genre bien différent, Dune (2021) de Denis Villeneuve, adaptation du monument de la SF écrit par Frank Herbert, et Fast & Furious X (2023), nouvel épisode de la franchise portée par Vin Diesel. Il y campe le fils d'un baron de la drogue bien décidé à venger la mort de son père.