Né le 15 mai 1905 à Petersburg, en Virginie, Joseph Cotten suit des études d'art dramatique à la Hickman School of Expression à Washington. Il connait plusieurs métiers avant de s’approcher des lumières de Broadway. Il travaille notamment en tant que représentant en peinture, commercial pour un journal américain, ou même joueur de football professionnel. Il s’illustre par la suite en tant que critique de théâtre, ce qui le mènera ensuite à monter lui-même sur les planches.
Cotten fait ses débuts à Broadway, en 1930, en tant que régisseur. Il va alors faire la rencontre d’Orson Welles, une rencontre déterminante, qui lui permettra de se lancer pleinement en tant que comédien. Après avoir fait du théâtre dans la compagnie de Welles, ainsi que de la radio (Cotten a participé à la célèbre émission sur la Guerre des mondes), l’acteur à la silhouette longiligne participe à son premier film en 1938, le court métrage Too much Johnson, aujourd’hui introuvable.
Mais c’est en décrochant le rôle de Jed Leland dans Citizen Kane (1941), toujours sous la direction d’Orson Welles, que Cotten donne véritablement un coup d’envoi à sa carrière d’acteur. Comme un clin d’œil, son premier rôle est celui d’un critique de théâtre ! Ses deux longs métrages suivants sont La Splendeur des Amberson (1942), réalisé à nouveau par Welles, et Voyage au pays de la peur de Norman Foster (id.), supervisé par Welles et coécrit avec Joseph Cotten lui-même.
Il se fait alors repérer par Alfred Hitchcock qui lui propose un rôle d’assassin dans L' Ombre d'un doute (1943). Il retrouvera le maitre du suspense en 1949 pour Les Amants du Capricorne. Entre temps, il tourne avec plusieurs grands noms de l’Age d’or hollywoodien, de George Cukor (Hantise, 1944) à King Vidor (Duel au soleil, 1947), sans oublier William Dieterle (Le Poids d'un mensonge, 1945 ; Le Portrait de Jennie, 1949).
En 1949, il donne l’une de ses plus mémorables prestations dans le classique de Carol Reed, Le Troisième homme. Dans ce thriller, il interprète un écrivain minable, enquêtant sur la mort suspecte d’un ami, incarné par Orson Welles. Après ce film, la carrière de Cotten sera moins flamboyante, malgré quelques films notables comme Niagara (1953) et Le Fond de la bouteille (1956), tous deux de Henry Hathaway, ou La Soif du mal (1958) de Orson Welles, avec Charlton Heston et Janet LeighJanet Leigh. Parallèlement, Cotten anime sa propre émission de télé, de 1950 à 1957, « The Joseph Cotten Show ».
L’acteur est en perte de vitesse dans les années 60 et 70. Il continue cependant à tourner dans des téléfilms ou des films mineurs jusqu’aux années 80, exception faite de La Porte du paradis (1980) de Michael Cimino. En 1987, il publie son autobiographie. Il décède le 6 février 1994 des suites d’une pneumonie.