Diplômé de l'Université d'Etat de Sacramento, après avoir fait ses premières armes dans la production de spots publicitaires, Joe Carnahan aborde le cinéma en réalisant plusieurs courts métrages et en signant le scénario de Karate raider (1995) de Ronald L. Marchini. En 1998, il écrit, réalise et produit son premier long métrage, une comédie d'action intitulée Blood, guts, bullets and octane, présentée au marché du film indépendant de New York.

Pour son deuxième film, Narc, sorti en 2002, Joe Carnahan prend appui sur un court métrage, Gunpoint, qu'il avait écrit et réalisé à l'époque où il était encore étudiant. Emballés par le scénario, Ray Liotta et Tom Cruise décident de produire ce polar dans lequel Liotta enquête sur la mort de l'un de ses collègues. Quatre ans après cet opus très remarqué, le cinéaste signe, dans un registre beaucoup plus fun, le pétaradant Mi$e à prix, une chasse à l'homme peuplée de doux dingues. Au casting, on retrouve le même Ray Liotta, mais aussi d'autres grands noms du cinéma américain (Andy Garcia, Ben Affleck) ainsi qu'une célèbre débutante, la chanteuse Alicia Keys.

En 2008, Joe Carnahan se plonge à nouveau dans une histoire de policiers corrompus, en signant le scénario du Prix de la loyauté, dans lequel Edward Norton donne la réplique à Colin Farrell. Deux ans après, il se consacre à L' Agence tous risques, superproduction adaptée de la célèbre série éponyme des années 1980, dans laquelle Liam Neeson, Bradley Cooper, Sharlto Copley et Quinton 'Rampage' Jackson prêtent leurs traits aux quatre célèbres mercenaires.

Joe Carnahan en interview sur AlloCiné : Avril 2007, Mai 2007 (interview polars)