Comenzó su carrera interpretando a Michael Fitzgerald en la serie Cracker (1997-1998), después de lo cual se hizo conocido como un ídolo adolescente  a través de papeles protagónicos en películas como Halloween H20: 20 años después (1998), The Faculty (1998), Las vírgenes suicidas (1999), Pearl Harbor (2001), O (2001), Black Hawk Down (2001) y 40 días y 40 noches (2002).

Créditos posteriores destacados incluyen a Wrath of Man (2021), Operation Fortune: Ruse de Guerre (2023) y Oppenheimer (2023).

Josh Hartnett hizo sus primeras apariciones en diversos anuncios publicitarios, pero sus pasos importantes los dio en la serie televisiva Cracker, donde apareció en un capítulo doble.

En el filme Wicker Park, realiza una interesante actuación como un obsesionado por el amor de Lisa (Diane Kruger) junto a Rose Byrne.

También actuó en el thriller El caso Slevin junto a Lucy Liu, Bruce Willis, Morgan Freeman y Ben Kingsley.

[1]​ Trabajó en la serie de terror gótico Penny Dreadful interpretando a Ethan Chandler.

En enero de 2022, Hartnett fue elegido para interpretar a Ernest Lawrence en la película Oppenheimer del cineasta Christopher Nolan.