Né à New York, Jonathan Levine débute comme assistant de l'incontournable metteur en scène Paul Schrader sur Auto Focus (2003), puis se lance dans la réalisation avec deux courts métrages : le premier, Shards en 2004, est une fiction qui parle de drogue, et le second, Love bytes l'année suivante, un documentaire autobiographique tourné sur le ton de la comédie.

Son premier long métrage, Tous les garçons aiment Mandy Lane, un thriller horrifique adolescent dans lequel il dirige la belle blonde Amber Heard, fait son effet lors de sa projection au Festival de Toronto, mais n'est pas distribué en salles aux Etats-Unis. En 2008, il enchaîne avec Wackness, une comédie dramatique portée par le jeune et frais Josh Peck. Le film rencontre un réel succès critique, notamment à Sundance. Il poursuit dans le registre de la comédie dramatique en réalisant 50/50 (2011), où Joseph Gordon-Levitt incarne un jeune adulte ordinaire apprenant qu'il a un cancer.

En 2013, il s'essaie à la comédie romantique sur fond d'univers zombiesque avec Warm Bodies, film dans lequel il met en avant de jeunes acteurs à la mode tels que Nicholas Hoult et Teresa Palmer. Le metteur en scène poursuit avec The Night Before - Secret Party, dans lequel il retrouve Seth Rogen et Joseph Gordon-Levitt, puis Larguées emmené par Amy Schumer et Goldie Hawn. Tous deux ne bénéficient pas d'une sortie dans les salles françaises, ce qui n'est pas le cas de la comédie romantique Séduis-moi si tu peux !, où le journaliste Seth Rogen tente de séduire Charlize Theron, candidate à la présidence des Etats-Unis .