La rencontre entre Joseph Gordon-Levitt et le monde du cinéma intervient assez tôt, puisque le comédien n'a que 7 ans lorsqu'il se retrouve devant une caméra, le temps du téléfilm Stranger on My Land (1988) où il donne la réplique à Tommy Lee Jones. Quatre ans plus tard, c'est avec Robert Redford qu'il continue son chemin, puisque ce dernier lui offre le rôle de la version jeune de Norman (Craig Sheffer) dans Et au milieu coule une rivière.

Le reste de la décennie, Joseph Gordon-Levitt la passe davantage sur le petit écran que sur le grand. Car s'il apparaît aux castings de La Jurée (1996), Halloween, 20 ans après (1998) ou 10 bonnes raisons de te larguer (1999), ce sont ses prestations dans les séries Docteur Quinn, femme médecin, Roseanne, That 70's Show et, surtout, 3ème planète après le soleil qui marquent les esprits.

La tendance s'inverse complètement au cours des années 2000, où son nom apparaît nettement plus souvent dans les salles obscures que sur un poste de télévision, puisque seule sa participation à un épisode de la série Numb3rs vient enrichir sa sériographie. Il faut dire qu'après avoir doublé le héros du Disney La Planète au trésor, un nouvel univers (2002), Joseph Gordon-Levitt crève l'écran en ado un brin paumé dans Mysterious Skin (2004). Une caractéristique qui marquera la suite de sa carrière pendant les années suivantes, à travers les personnages qu'il interprète dans Brick (2005) ou The Lookout (2007).

Si sa collaboration avec Spike Lee, le temps de Miracle à Santa-Anna (2008), se solde par un échec, Joseph Gordon-Levitt se rattrape l'année suivante grâce aux succès du blockbuster G.I. Joe - Le réveil du Cobra, puis de 500 jours ensemble, comédie romantique pas comme les autres, qui lui permet de donner la réplique à la jolie Zooey Deschanel, huit ans après avoir partagé l'affiche de l'inédit Manic avec elle. En 2010, l'acteur s'oriente vers un film mélangeant le thriller et la science-fiction, en partageant l'affiche d'Inception mis en scène par Christopher Nolan (The Dark Knight, Le Chevalier Noir), dans lequel il côtoie plusieurs acteurs très prisés, tels que Leonardo DiCaprio, Marion Cotillard ou encore Ellen Page.

En 2011, il revient vers un genre plus léger avec la comédie 50/50 où il interprète Adam, un jeune malade atteint du cancer. Sous la direction de Jonathan Levine, le film a pour thème la maladie, mais traité d'un point de vue autant humoristique qu'émouvant. Financé par les producteurs de SuperGrave et The Green Hornet, Joseph Gordon-Levitt donne la réplique au très à la mode Seth Rogen. Il enchaine avec un thriller, Premium Rush, réalisé et co-écrit par David Koepp, dans lequel le comédien incarne Wilee, un "messager à vélo", avant d'endosser le rôle de Joe dans le film d'action Looper. Devant la caméra de Rian Johnson, Joseph Gordon-Levitt fait partie d'un groupe de tueurs à gages qui est chargé d'éliminer des personnes envoyées du futur par leur employeur. Il a pour partenaires Emily Blunt, Bruce Willis, et Paul Dano.

Après Inception, Christopher Nolan lui propose à nouveau un projet de film, et pas n'importe lequel : la suite des aventures du Chevalier noir de Gotham City dans The Dark Knight Rises. Dans ce troisième et dernier volet de la trilogie, il incarne John Blake, aux côtés de pointures telles que Christian Bale, Anne Hathaway, Morgan Freeman, mais aussi des très demandés Marion Cotillard et Tom Hardy qu'il retrouve pour l'occasion. Après cette production à (très) gros budget, il continue de tourner sous la direction des plus grands, en interprétant le rôle principal de Robert Todd Lincoln devant la caméra de Steven Spielberg pour Lincoln.

2013 est un tournant pour le comédien : après s'être suffisamment entraîné sur des courts et autres clips et avoir travaillé avec de grands réalisateurs, il décide d'écrire le scénario de son premier long métrage : Don Jon. Il y incarne également le rôle principal, un Don Juan des temps modernes un peu trop soucieux de son physique et de ses films pornographiques. L'acteur intègre ensuite l'univers de Frank Miller et Robert Rodriguez dans Sin City J'ai tué pour elle avant de prêter ses traits au funambule Philippe Petit dans le biopic The Walk mis en scène par Robert Zemeckis.

En 2016, le comédien est choisi par Oliver Stone pour camper le lanceur d'alerte Edward Snowden dans Snowden. Ce patriote idéaliste et enthousiaste, croyant réaliser son rêve en rejoignant les équipes de la CIA puis de la NSA, a découvert au cœur des Services de Renseignements américains l’ampleur insoupçonnée de la cyber-surveillance. Violant la Constitution, soutenue par de grandes entreprises, la NSA collecte des montagnes de données et piste toutes les formes de télécommunications à un niveau planétaire. Choqué par cette intrusion systématique dans nos vies privées, Snowden a décidé de rassembler des preuves et de tout divulguer. Devenu lanceur d’alerte, il sacrifiera sa liberté et sa vie privée.