Né en 1978 d’un père promoteur et d’une mère enseignante, Justin Bartha a grandi dans le Michigan. En 1996, il intègre la célèbre université « Meisner Extension » à New York, pour y étudier le cinéma. Il commence sa carrière comme assistant de production sur Mafia Blues, pour ensuite décrocher son premier rôle dans Tag, un court métrage sorti en 1999.

En 2002, Justin Bartha joue un rôle important dans la comédie Amours troubles, aux côtés de Jennifer Lopez et Ben Affleck. Le film est un échec, mais sa carrière prend tout de même son envol, puisqu’en 2004, il interprète le meilleur ami de de Nicolas Cage dans Benjamin Gates et le Trésor des Templiers, un succès au box office qui donne lieu quatre ans plus tard à une suite tout aussi lucrative.

L'acteur enchaîne alors de nombreux seconds rôles dans des comédies romantiques, comme Chassé-croisé à Manhattan (2006) aux côtés de Julianne Moore et David Duchovny, Playboy à saisir (2006) avec Sarah Jessica Parker et surtout le déjanté Very Bad Trip (2009) aux côtés de Bradley Cooper, qui connaît un succès international considérable. La même année, il retrouve son complice dans le film collectif New York, I Love You, et partage l'affiche de Jusqu'à toi, avec l'actrice française Mélanie Laurent. Après avoir incarné aux côtés de Jesse Eisenberg un juif orthodoxe passeur de drogues dans Jewish Connection, il retrouve la bande de potes de Very Bad Trip pour une nouvelle aventure, au coeur de Bangkok.