Joseph Cheshire Cotten conocido como actor como Joseph Cotten, nació en Petersburg (Virginia), el 15 de mayo de 1905 en el seno de una familia de la alta sociedad. Sus padres, Sally Bartlett y Joseph Cotten Sr. tuvieron otros dos hijos, Whit y Sam, siendo Joseph el mayor de ellos. En 1931 se casó con su primera mujer, Leonore Kipp, una pianista, y su matrimonio duró hasta la muerte de ella en 1960. Ese mismo año se casó con la actriz británica, de origen canario, Patricia Medina, y el matrimonio duró treinta y cuatro años, hasta la muerte de él.
Cotten estudió interpretación en la Hickman School, en Washington D.C. Trabajó como crítico de cine para el Miami Herald, y se dedicó a la publicidad, a la radio y al teatro, teniendo lugar su debut en Broadway en 1930. Interpretó papeles principales en obras teatrales como «Jezabel», «Julio César», «Historias de Filadelfia» (junto a Katharine Hepburn) y «Sabrina Fair». Fue en este ambiente teatral donde Cotten conoció a Orson Welles, con el cual fundó, en 1937, el Mercury Theatre.
Su debut en el cine fue en la primera producción de Orson Welles, «Ciudadano Kane», en el papel de Jedediah Leland, en 1941. Debido a que la película se basaba en la vida real del magnate de la comunicación William Randolph Hearst, éste hizo todo lo posible para que no se distribuyera y la atacó sistemáticamente desde sus periódicos. Consiguió sabotear la película, que sólo ganó un Óscar. Sin embargo, hoy está considerada como una de las mejores películas de la historia del cine, y sería decisiva para lanzar la carrera cinematográfica de Cotten y para darle el prestigio de gran actor que mantuvo durante toda su trayectoria. Para el reparto de la película, Welles utilizó a varios actores de la compañía teatral Mercury Theatre, que había fundado con Cotten.
El tercer papel de Cotten en el cine fue también en otra película de Orson Welles, «El cuarto mandamiento», en la que interpretaba el papel de Eugene Morgan, que le consolidaría definitivamente en el mundo del cine.
Sus últimas colaboraciones con Welles fueron en las producciones «El tercer hombre», de Carol Reed, en 1949, aunque en este caso Welles y él sólo fueron compañeros de reparto, y en la película «Sed de mal», dirigida por Welles en 1958; en ella, Cotten es objeto de un corto cameo. A pesar de no seguir colaborando juntos, a Welles y a Cotten siempre les uniría una gran amistad.
Joseph Cotten fue un actor muy versátil, y tras su gran éxito con «Ciudadano Kane», colaboró en varias películas de Alfred Hitchcock. La primera de ellas fue «La sombra de una duda», en 1943, junto a Teresa Wright, en la que interpretaba a un asesino en serie. La otra colaboración sería en la película «Atormentada», de 1949, junto a Ingrid Bergman. Volvería a coincidir con Ingrid Bergman en la película de George Cukor, «Luz que agoniza», en 1944, como actor secundario. Este papel relanzó su carrera pese a que fue el único actor del reparto de la película que no estuvo nominado a ningún Globo de Oro ni a ningún Óscar de Hollywood.
Su trayectoria a lo largo de la década de los años 40 y 50 del siglo XX fue muy fructífera, participando en un gran número de películas: «Duelo al sol», con Jennifer Jones, en 1946 y «Niágara», de Henry Hathaway, junto a Marilyn Monroe, en 1953, fueron dos de sus películas más conocidas.
En los años 60 y 70 su carrera se tornó un tanto irregular, participando en películas como «Canción de cuna para un cadáver» de Robert Aldrich, con Bette Davis y Olivia de Havilland, y «Cuando el destino nos alcance», con Charlton Heston, pero también dedicándose a películas de serie B o a películas para televisión, con las excepciones de «Aeropuerto 77» y «Tora! Tora! Tora!». 
Su último trabajo para la gran pantalla fue con «La isla de los Hombres Peces» en 1979.
A pesar de su extensa filmografía, y de haber participado en algunas de las películas más importantes de la historia del cine, nunca ganó ningún Óscar, de hecho ni siquiera llegó a estar nominado. Tras una larga lucha contra el cáncer, Joseph Cotten murió de neumonía el de febrero de 1994 en Westwood. En 1991 había publicado su autobiografía: «La vanidad te llevará a alguna parte».
