Joshua Daniel Hartnett est le fils de Wendy Anne (née Kronstedt) et de Daniel Thomas Hartnett. Il a été élevé à Saint Paul dans le Minnesota par son père, un gestionnaire d'immeuble et par sa belle-mère, Molly, artiste. Il a trois demi-frères et sœurs plus jeunes, par le biais du deuxième mariage de son père : Jessica, Jake et Joe. Son père est d'origine irlandaise (péninsule de Dingle) et allemande, sa mère est d'origine suédoise et norvégienne. À la suite de son éducation catholique, il effectue sa scolarité dans des écoles et lycées de cette même religion.
{{refnec}} {{refnec}} À la suite de cette expérience, il se découvre une passion pour le cinéma et décide de poursuivre cette voie. Il participe à un grand nombre de pièces de théâtre lors de l'école secondaire. Il a obtenu son premier emploi dans un club de vidéo local. Il est devenu végétarien à l'âge de 12 ans, mais mangeait de la viande pendant le tournage du film Le Dahlia noir.
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Josh Hartnett en novembre 2008. Josh Hartnett au Festival international du film de Toronto 2010.
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À l'âge de 19 ans, il s'installe en Californie. Peu de temps après son arrivée à Los Angeles, en avril 1997, il fait ses débuts à la télévision dans la série télévisée Cracker dans le rôle de Michael Fitzgerald, diffusée sur ABC, inédite en France.
En 1998, il a joué dans de petites pièces de théâtre et des publicités télévisées de portées nationales avant de décrocher son premier rôle dans un long métrage, interprétant le fils de Jamie Lee Curtis dans le film Halloween, 20 ans après.
En 1999 et 2002, il a été choisi par le magazine People comme « l'une des stars les plus sexy de moins de 21 ans » et « l'une des 50 plus belles personnes du magazine ». Il a également élu « {{3e}} homme le plus sexy » par le magazine Bliss. En 2003, PETA l'a nommé « végétarien le plus sexy ». Toujours en 1999, en incarnant dans le film The Faculty, Josh se fait repérer et enchaîne d'autres productions.
En 2001, c'est en endossant l'uniforme de l'armée américaine qu'il est révélé au grand public pour son rôle aux côtés de Ben Affleck et Kate Beckinsale dans Pearl Harbor (2001) de Michael Bay, puis grâce à La Chute du faucon noir (fin 2001) de Ridley Scott où il côtoie notamment Eric Bana, Jason Isaacs, Tom Sizemore, Ewan McGregor et Tom Hardy. {{refnec}}
En 2002, il a joué dans Othello 2003, d'après la pièce de théâtre de William Shakespeare, il y incarne le rôle d'Iago.
Lors d'une interview en 2003, Josh Hartnett révèle qu'au début des années 2000, il a été approché à plusieurs reprises pour interpréter le rôle de Clark Kent / Superman dans le prochain film (à l'époque dirigé par Brett Ratner), mais il a refusé, ne voulant pas s'engager dans un rôle prévu pour dix ans{{,}}.
En 2006, il est dans le thriller dramatique Le Dahlia noir, dans lequel il joue un détective qui enquête sur le fameux meurtre de l'actrice Elizabeth Ann Short. Josh Hartnett était déjà engagé dans la distribution du film cinq ans avant que celui-ci ne soit produit, restant malgré tout attaché à figurer dans le film parce que le sujet l'interessait. Il interprète ensuite un autiste atteint du syndrome d'Asperger dans Crazy in Love ({{Langue}}).
Parmi ses rôles en 2007, il a participé au film Renaissance d'un champion, un drame le mettant également en vedette avec Samuel L. Jackson et l'adaptation du Roman graphique 30 jours de nuit, dans lequel il joue le shérif d'une petite ville, {{refnec}} La même année, il devait jouer le trompettiste, Chet Baker, dans le film The Prince of Cool, mais n'étant pas d'accord avec les idées de la production, il a quitté le projet.
En 2008, Josh Hartnett a interprété Charlie Babbit aux côtés d'Adam Godley dans l'adaptation théâtrale de Rain Man à l'Apollo Theatre dans la cité de Westminster à Londres. La même année, il devient l'égérie de la nouvelle campagne d'Emporio Armani, Diamonds for Men. Il est en vedette dans les deux publicités imprimées et télévision pour le parfum, devenant ainsi la première célébrité masculine à représenter Giorgio Armani Beauty.
Il a été présenté sur de nombreuses couvertures de magazines, tels que Cosmogirl, {{Lien}}, Entertainment Weekly, Girlfriend, Seventeen, Vanity Fair, GQ et V, en plus d'être dans d'autres magazines comme Vogue, Elle, People, Glamour, {{Lien}} et {{Lien}}{{,}}.
En 2009, il a produit le clip vidéo de la chanson {{Langue}} du rappeur Kid Cudi.
En 2013, il était l'invité d'honneur du Festival international du cinéma indépendant Off Plus Camera.
Entre 2000 et 2011, Josh Hartnett a eu plusieurs relations amoureuses, il a notamment fréquenté Kelly Carlson, Scarlett Johansson, Abbie Cornish et Sophia Lie pendant un an.
En 2012, il a une courte relation avec l'actrice Amanda Seyfried. La même année, il est en couple avec le mannequin Tamsin Egerton avec qui il a un enfant , né le 2 décembre 2015.
Son orientation politique est en faveur du parti démocrate puisqu'il a ouvertement soutenu John Kerry et son candidat à la vice-présidence John Edwards lors des élections présidentielles de 2004. Il soutient désormais Barack Obama.