Joshua Daniel Hartnett nasce a San Francisco (California, USA) il 21 luglio 1978. Cresce con il padre Daniel e la compagna Molly a Saint Paul, nel Minnesota. La madre naturale resta invece a San Francisco dopo il divorzio dal marito.

Dopo aver completato gli studi Josh inizia a recitare nel 1996 con la Youth Performance Company di Minneapolis; frequenta poi la SUNY (State University of New York) di New York dove però non resta a lungo: preferisce tornare in California, dove Hollywood e dintorni offrono maggiori opportunità nel campo della recitazione.

Nel 1997 prende parte a 14 episodi della serie tv "Cracker" oltre ad alcuni spot televisivi e performances teatrali. Entra poi nel cast del suo primo film, "Halloween 20 anni dopo", accanto alla navigata Jamie Lee Curtis.

Da allora Josh Hartnett alterna grandi successi hollywoodiani a piccole produzioni: con "The Faculty" diviene particolarmente popolare tra i teenagers, poi arrivano "Il giardino delle vergini suicide" (1999, di Sofia Coppola, con Kirsten Dunst, James Woods e Kathleen Turner), "Pearl Harbor" (2001, con Ben Affleck e Alec Baldwin), "O come Otello" (2002) e "Black Hawk Down" (2002, di Ridley Scott).

Recita poi in "Hollywood Homicide" (2003, con Harrison Ford), "Appuntamento a Wicker Park" (2004), "Crazy in Love" (2005), fino ad arrivare a "Slevin. Patto Criminale" (2006, con Bruce Willis, Lucy Liu, Morgan Freeman e Ben Kingsley), "Black Dahlia" (2006, di Brian De Palma) e l'horror "30 giorni di buio" (2007).

Tra le molte love story di Josh Hartnett vi sono quelle con Ellen Fenster (fino al 2004) e altre modelle, prima di conoscere Scarlett Johansson sul set di "Black Dahlia". Dopo una breve relazione con la cantante Rihanna pare che si sia legato alla bella attrice Kirsten Dunst.