Di recente è stato il protagonista al fianco di Zooey Deschanel in (500) Days of Summer, il film a soggetto di Marc Webb che è stato fra i maggiori successi del Sundance Film Festival 2009. Ha inoltre interpretato Killshot di John Madden, con Diane Lane e Mickey Rourke, e ha recitato nel film romantico caratterizzato da numerose improvvisazioni, dal titolo Uncertainty, insieme a David Siegel e a Scott McGehee; il film è stato presentato al Toronto Film Festival 2008.
I film di Gordon-Levitt comprendono: Stop-Loss, il film di guerra diretto da Kimberly Peirce, e interpretato da Ryan Phillippe, Channing Tatum e Abbie Cornish; il dramma sulla II Guerra Mondiale di Spike Lee Miracle at St. Anna (Il miracolo di Sant’Anna); The Lookout (Sguardo nel vuoto), l’esordio alla regia di Scott Frank, interpretato anche da Jeff Daniels, Matthew Goode e Isla Fisher; Mysterious Skin, il film di Gregg Araki che è valso a Gordon-Levitt la nomina come una delle Migliori Performance dell’Anno nel 2005 da parte del The New York Times; Brick, il film di Rian Johnson che ha vinto il premio per l’originalità della visione al Sundance Film Festival 2005; Manic, presentato al Sundance Film Festival 2001, e interpretato da Don Cheadle e Zooey Deschanel; 10 Things I Hate About You (Dieci cose che odio di te) con Heath Ledger e Julia Stiles; Halloween: H20 (Halloween 20 anni dopo) con Jamie Lee Curtis; The Juror (Il giurato) con Demi Moore e Alec Baldwin; il film animato Treasure Planet (Il pianeta del tesoro); la commedia familiare Angels in the Outfield con Danny Glover; e il suo film d’esordio, A River Runs Through It (In mezzo scorre il fiume) di Redford, in cui la sua performance gli è valso uno Young Artist Award per il Migliore Attore che abbia meno di dieci anni di età.
Prima di frequentare la Columbia University, è stato il protagonista della premiata commedia NBC 3rd Rock from the Sun, per cui ha ricevuto due Young Star Awards di Hollywood Reporter e tre candidature allo Screen Actors Guild Award per Outstanding Performance by an Ensemble in a Comedy Series.
Gordon-Levitt ha esordito nella regia con il cortometraggio Sparks, interpretato da Carla Gugino ed Eric Stoltz, presentato in concorso nella sua categoria al Sundance Film Festival 2009, la prima produzione ufficiale del marchio hitRECord.org – un website da lui creato per incentivare una comunità dedita al cinema e alla creatività in genere.
Gordon-Levitt vive fra New York e Los Angeles.