Après avoir commencé sa carrière d'acteur à l'âge de 4 ans dans des spots publicitaires, Logan Lerman commence sa carrière au cinéma en 2000 avec The Patriot, le chemin de la liberté dans lequel il partage l'affiche avec Mel Gibson et Heath Ledger. Mel Gibson qu'il retrouvera la même année dans Ce que veulent les femmes où il joue son personnage jeune. Sa prestation dans Ecarts de conduite où il joue aux côtés de Drew Barrymore et Maggie Gyllenhaal lui vaut d'être choisi par des producteurs de CBS pour le rôle principal du téléfilm La Couleur du coton (TV) (2003) pour lequel il recevra le Young artist Award du meilleur jeune acteur dans un téléfilm.

Bien qu'il ait joué la version adolescente du personnage d'Ashton Kutcher dans L'Effet papillon et obtenu l'un des rôles principaux de la série Jack & Bobby, ce n'est qu'en 2007 que Logan Lerman commence à gagner en notoriété auprès du grand public grâce 3h10 pour Yuma dans lequel il joue le fils de Christian Bale. Après avoir joué un geek fan de jeux-vidéos dans Ultimate Game, Logan Lerman obtient enfin son premier rôle dans un blockbuster avec Percy Jackson : le voleur de foudre dans lequel il partage l'affiche avec plusieurs grands noms du cinéma tels que Sean Bean, Pierce Brosnan ou encore Uma Thurman.

Il enchaîne alors les rôles importants au cinéma, notamment dans Les Trois Mousquetaires (2011), blockbuster adapté du célèbre roman dans lequel il joue D'Artagnan, puis la comédie dramatique adolescente Le Monde de Charlie (2012). En 2013, il revient dans la peau de Percy Jackson dans le deuxième volet de ses aventures, Percy Jackson : la mer des monstres et l'année suivante, il s'affiche dans un autre blockbuster, Noé, retrouvant ainsi Russell Crowe et Emma Watson.