Joseph Mazzello es conocido por sus papeles protagonistas como "Douglas Gresham" en Tierras de penumbra, "Tim Murphy" en Jurassic Park (Parque Jurásico), y "Eugene Sledge" alias Mazo en la miniserie de HBO ganadora del Emmy® The Pacific.

En 2010, Mazzello interpretó al cofundador de Facebook "Dustin Moskovitz" en la película dirigida por David Fincher La red social. En 2013, Mazzello protagonizó Dear Sidewalk como "Gardner", donde interpreta a un mensajero de 24 años con conflictos internos con respecto a su identidad en plena crisis del cuarto de siglo. Ese mismo año, Mazzello interpretó a "Mouse" en G.I. Joe: La venganza.

El trabajo de Mazzello en televisión incluye un papel recurrente en la serie de FX Justified: La ley de Raylan, la miniserie de A&E Coma, así como apariciones estelares en las series de televisión de CBS Vigilados: Person of Interest y Elementary.

Mazzello fue el escritor, director, productor ejecutivo y protagonista del largometraje Undrafted. La película está basada en la historia real del hermano de Mazzello que no fue seleccionado para participar en la Liga Mayor de Béisbol de los Estados Unidos.