Yahudi bir ailenin çocuğu olarak Los Angeles, Californiya'da doğdu ve Sherman Oaks'da büyüdü. Amerika Birleşik Devletleri Kongresi için California 1970'lerde için koştu Babası Dennis Levitt gazeteci, annesi Jane Gordon ise siyasetçiydi. 1974 doğumlu Dan adlı bir kardeşi vardır.
Gordon-Levitt dört yaşında bir müzikal tiyatro grubuna katıldı. Daha sonra reklamlarda boy göstermeye başladı, kısa süre sonra da TV filmlerinde yer almaya başladı. Çeşitli dizi ve filmlerde oynadıktan sonra ilk büyük çıkışını 3rd Rock from the Sun dizisindeki Tommy rolüyle yaptı, dizide 6 sezon rol aldı.
2000 yılında New York'taki Columbia Üniversitesi'ne kaydoldu, burada edebiyat ve Fransızca bölümlerinde okudu. 2004 yılında okulu bırakıp aktörlüğe yeniden konsantre olmaya karar verdi. Mysterious Skin (2004), The Lookout (2007) gibi filmlerde oynadı. 2009'da Zooey Deschanel'le oynadığı (500) Days of Summer filmiyle büyük beğeni kazandı. Sonrasında oldukça yüksek profilli filmlerde oynamya devam etti. G.I. Joe: The Rise of Cobra (2009) filminden sonra Christopher Nolan'ın Başlangıç filminde Arthur rolünü aldı. The Dark Knight Rises filminde ise John Blake rolüyle izleyicilerin karşısına çıktı. Aynı yıl içinde Spielberg'ün Lincoln filminde Abraham Lincoln'ün oğlu Robert Todd rolünü üstlendi. 2013'te ilk yönetmenlik deneyimini Don Jon filmiyle yaşadı, aynı zamanda başrolü Scarlett Johansson ile paylaştı. Hayao Miyazaki'nin son filmi Rüzgar Yükseliyor'un İngilizce dublajında başrol karakteri Jiro'yu seslendirdi. Sin City A Dame to Kill For filminin başrolleri arasındaydı.
2015'te vizyona giren The Walk filminde de bir ip cambazını canlandırdı.
Tasha McCauley ile 2014'te dünyaevine giren Levitt'in 2015 ve 2017 doğumlu iki çocuğu bulunmaktadır.
