2009 spielte er im erfolgreichen Independentfilm "(500) Days of Summer" die männliche Hauptrolle "Tom Hansen" neben Zooey Deschanel als "Summer Finn". Für diese Rolle bekam Gordon-Levitt eine Golden-Globe-Nominierung als Bester Hauptdarsteller in einer Komödie oder einem Musical. 2010 stand er in Christopher Nolans Film "Inception" neben Leonardo DiCaprio und Michael Caine vor der Kamera.