Joel Edgerton grandit dans la région de Sydney. Après une très bonne scolarité et de nombreuses années passées dans les salles de sport (il est ceinture noire de karaté), il rejoint l'University of Western Sydney et la très prestigieuse Nepean Drama School. Faisant ses armes au théâtre, il intègre rapidement la Sydney Theatre Company et interprète des pièces du répertoire classique et moderne. Parallèlement, il fait ses débuts à la télévision dans des séries télévisées (Brigade des mers, Wildside...) et au cinéma dans La Compétition (1996), dans lequel il tient un petit rôle.


Au début des années 2000, sa participation à la série australienne Nos vies secrètes le rend très populaire et lui ouvre un peu plus les portes du cinéma, avec notamment un rôle dans le film policier The Hard Word. Après l'arrêt de la série, il rejoint Hollywood et sert de demi-frère à Dark Vador dans Star Wars : Episode II - L'Attaque des clones et Star Wars : Episode III - La Revanche des Sith.


En 2003, il retourne aux antipodes et côtoie la fine fleur du cinéma australien (Heath Ledger, Naomi Watts, Geoffrey Rush...) dans le drame historique Ned Kelly. Dans les années qui suivent, il démontre son éclectisme, en interprétant un chevalier de la table ronde dans le blockbuster Le Roi Arthur, puis un chausseur dans la comédie Kinky boots et un garde du corps dans le film d'action Mi$e à prix.


Après son tour du monde des plateaux de cinéma, Joel Edgerton retrouve les planches en compagnie d'une certaine Cate Blanchett pour Un Tramway Nommé Désir. Sa prestation lui vaut des critiques élogieuses et le couvre de récompenses. Fort de ce succès, il retourne au cinéma en 2009 et prête sa voix au long métrage d'animation Le Sens de la vie pour 9.99$, puis interprète un pyromane dans The Square, film dont il co-écrit le scénario et que son frère Nash Edgerton réalise.


De plus en plus présent sur les écrans, sa stature et son physique massif lui permettent de jouer un gangster dans le très récompensé Animal Kingdom mais aussi un boxeur dans Warrior et un pilote d'hélicoptère dans le film d'horreur The Thing, remake du long métrage culte de John Carpenter. En 2013, Joel Edgerton se distingue pour son personnage de militaire aguerri dans Zero Dark Thirty puis en partageant le haut de l'affiche de Gatsby le Magnifique de Baz Luhrmann. Aux côtés de Leonardo DiCaprio, Carey Mulligan et Tobey Maguire, il se glisse dans la peau de Tom Buchanan, un millionnaire sans scrupules, rival de Gatsby.