Né à Kingston upon Thames au sud-ouest de Londres, Joe Cole débute en tant que mannequin mais se tourne rapidement vers sa passion : le théâtre. Il intègre ainsi le prestigieux National Youth Theatre de la capitale anglaise et se produit dans diverses pièces. Après avoir fait quelques apparitions dans les séries The Bill, Holby City et Come Fly with Me, il trouve un rôle un peu plus conséquent dans la série judiciaire Injustice aux côtés de James Purefoy : celui d’Alan, un jeune homme talentueux mêlé à des gens peu recommandables.

Joe Cole enchaîne avec deux épisodes de Skins où il interprète un bad boy (plus précisément un leader de gang aussi rebelle que charmant), un genre de personnage qui reviendra de manière régulière dans sa filmographie. Avec The Hour, les producteurs l’engagent pour se glisser dans la peau de Trevor, un fasciste. En 2013, sa notoriété s'accentue lorsqu’il est choisi pour rejoindre la série à succès Peaky Blinders où il campe John, l’un des frères de Tommy (Cillian Murphy). Le personnage gagne en importance au fil des épisodes et ses responsabilités accrues le poussent à devenir un adulte.

Parallèlement, Joe Cole obtient des rôles importants au cinéma, comme par exemple dans Offender (2012), inédit en France, où il joue un délinquant coriace se retrouvant en prison. Il goûte aussi à la dramédie avec Up & Down (2014) de Pascal Chaumeil : il y endosse la tenue du garçon paumé Chas, qui est aussi l’ex petit-ami d’Imogen Poots. Mais le comédien tend à privilégier le thriller comme sa prestation dans Aux yeux de tous en témoigne. Dans le film de genre Green Room (2016), il incarne l’ami du regretté Anton Yelchin qui sait se défendre et fait face à un redoutable gang de néonazis avec force et courage.

En 2016, la carrière du jeune homme prend un autre tournant quand il décroche le rôle-titre d’Une prière avant l’aube de Jean-Stéphane Sauvaire. Le film raconte l’histoire vraie de Billy Moore, qui est parvenu à survivre à la prison thaïlandaise en devenant champion de boxe Muay Thaï. Pour les besoins du rôle, Joe Cole, qui était déjà pratiquant de boxe anglaise, s’est livré à une préparation de plusieurs mois en boxe thaïlandaise. Présenté dans plusieurs festivals prestigieux (dont le Festival du film britannique de Dinard 2017 en sélection officielle), ce film violent et réaliste est globalement bien accueilli par la critique.

Toujours en 2018, Joe Cole interprète un rôle clé aux côtés de Miles Teller dans Thank You For Your Service, tiré du livre de David Finkel. Le long métrage ne bénéficie toutefois pas d'une sortie dans les salles françaises, tout comme Woodshock, film indépendant avec Kirsten Dunst, créé et réalisé par les soeurs Kate et Laura Mulleavy, fondatrices de la maison de couture américaine Rodarte. Joe Cole est aussi au casting de Eye on Juliet, qui raconte l’histoire d’un opérateur de drone qui tombe amoureux d’une jeune fille du Moyen-Orient. Ce film de Kim Nguyen devrait sortir prochainement.