Joe Johnston débute sa carrière en tant que collaborateur sur les effets spéciaux de La Guerre des étoiles, en 1977. Il y apparaît également dans la peau d'un soldat de l’Étoile Noire. Un baptême du feu prestigieux suivi de fonctions plus importantes: Johnston est responsable des effets spéciaux des deux autres volets de la saga de science-fiction, L'Empire contre-attaque et Le Retour du Jedi, puis travaille sur ceux des Aventuriers de l'Arche perdue, pour lesquels il remporte d'ailleurs un Oscar.

Proche collaborateur de George Lucas et Steven Spielberg, Joe Johnston officie en tant que directeur artistique sur Indiana Jones et le Temple maudit et superviseur des séquences aériennes sur Always. Après avoir été réalisateur de seconde équipe sur Miracle sur la 8ème rue (1987) puis produit le film fantastique Willow (1988), il se lance dans la mise en scène avec Chérie, j'ai rétréci les gosses en 1989. Il connaît un large succès public et confirme son goût prononcé aussi bien pour la fantaisie et l'aventure que pour les prouesses techniques les plus osées.

Joe Johnston signe deux ans plus tard le film d'action Rocketeer, mais le public plébiscite Jumanji (1995), long-métrage familial dans lequel Robin Williams voit se matérialiser les animaux d'un jeu de l'oie. En 1999, le drame initimiste Ciel d'octobre marque une parenthèse dans le parcours trépidant du cinéaste... qui retrouve très vite le chemin du film d'aventure à grand spectacle avec Jurassic Park III. En 2004, il s'essaye au western épique en dirigeant Viggo Mortensen dans Hidalgo. Johnston poursuit son exploration des genres avec Wolfman (2010), un film d'horreur qui revisite un classique Universal. L'année suivante, c'est avec Captain America: First Avenger, film de super-héros issu de l'univers Marvel, que le cinéaste confirme son statut de cinéaste hollywoodien touche-à-tout.