Josh Hartnett nació en San Francisco y se crió en Minneapolis, Minnesota. Llamó la atención del público por primera vez como "Michael 'Fitz' Fitzgerald" en la serie de televisión "Cracker". Debutó en el cine en 1998, coprotagonizando con Jamie Lee Curtis la película Halloween: H20: veinte años después para Miramax. Ese mismo año, recibió una nominación al premio MTV Movie a la Mejor Interpretación Revelación. También en 1998, Josh protagonizó Aulas Peligrosas, dirigida por Robert Rodríguez, de nuevo para Miramax. En 1999 protagonizó la comedia negra aclamada por la crítica de Paramount Classics Las Vírgenes suicidas junto a Kirsten Dunst, el debut como directora de Sofia Coppola.

En 2001, Hartnett dio un golpe de timón al protagonizar tres largometrajes. Interpretó al antagonista en la película de Lions Gate O, una versión moderna de Otelo. Su interpretación del oscuro y peligroso personaje, Hugo, le valió muchos elogios. A continuación, consiguió un papel en la superproducción de Jerry Bruckheimer Pearl Harbor, que obtuvo más de mil millones de dólares en todo el mundo para Disney. Se trasladó a Marruecos, donde protagonizó Black Hawk Derribado, de Sony, para el director Ridley Scott, de nuevo una producción de Jerry Bruckheimer. La película, basada en la novela homónima de Mark Bowden de 1999, narraba la historia de una malograda misión humanitaria estadounidense en Somalia que tuvo lugar el 3 de octubre de 1993. En 2002, el National Theater Owners le concedió el premio ShoWest 2002 Male Star of Tomorrow.

Le siguieron El Apartamento de MGM, para el director Paul McGuigan, Sin City, de Miramax, para el director Robert Rodríguez, y Mozart y la ballena, escrita por Ron Bass (una historia de amor entre dos personas con síndrome de Asperger). También protagonizó El caso Slevin con Morgan Freeman y Bruce Willis para The Weinstein Company y La Dalia Negra para el director Brian De Palma, frente a Scarlett Johansson, que fue estrenada por Universal Pictures en septiembre de 2006.

En 2008, Josh participó en el drama independiente Agosto estrenado en el Festival de Cine de Sundance. Es la historia de dos hermanos que luchan por mantener su joven empresa a flote en el verano de 2001, justo antes de los atentados del 11-S. También ese año protagonizó el papel de Charlie Babbitt en la adaptación teatral de Rain Man en el West End londinense, en el Teatro Apollo, junto al actor británico nominado al Olivier Adam Godley.

Entre 2014 y 2016 Hartnett protagonizó el papel de Ethan Chandler en la aclamada serie de Crónicas del Terror.

Entre sus títulos cinematográficos se encuentran Hollywood: Departamento de homicidios, 40 días y 40 noches, Éxito por los pelos, Enredos de sociedad, Aquí en la Tierra, I Come with the Rain dirigida por Tran Anh Jung (Scent of the Green Papaya),Bunraku, Singularity, Parts Per Billion, Caballos Salvajes ,6 Below. Resucitando al Campeón, 30 Días de Noche de Sony y, más recientemente, ¡Oh Lucy! y Víctima del poder.

DESPIERTA LA FURIA, dirigida por Guy Ritchie, y el documental en cuatro partes de HBO/Raoul Peck Exterminate All The Brutes. Volvió a colaborar con Guy Ritchie en el rodaje de Five Eyes.