Urodził się w Sztokholmie, w Szwecji. Jego matka, Szwedka Dee Kinnaman, miała pochodzenie żydowskie (wywodziła się od ukraińskich imigrantów żydowskich). Z kolei jego ojciec, Steve Kinnaman, urodził się w Ameryce i miał niemieckie, angielskie, szkockie i irlandzkie pochodzenie; opuścił Stany Zjednoczone po wojnie wietnamskiej. Joel dorastał z pięcioma siostrami, dwie z nich zostały zawodowymi aktorkami. Przez jeden rok chodził do szkoły w Teksasie. Swoją karierę rozpoczął w 2002 roku, uczęszczając przez pięć lat do szwedzkiej akademii teatralnej Malmö Theatre Academy. Pojawił się gościnnie w serialu Storstad (1990) jako Felix Lundström, a następnie wystąpił w roli poety Niklasa w dreszczowcu fantasy Niewidzialny (Den osynlige, 2002). W Szwecji stał się znany z roli Franka Wagnera w serialu Johan Falk (2009), a także jako Johan „JW” Westlund, który wiedzie podwójne życie: raz jest zwykłym studentem, raz podejmującym najważniejsze decyzje przestępcą, w dramacie Szybki cash (Snabba Cash, 2010). Za tę rolę odebrał nagrodę Guldbagge dla najlepszego aktora[6] i przyciągnął uwagę Hollywood. Wkrótce przeniósł się do USA, gdzie zyskał sławę dzięki roli Stephena Holdera w serialu kryminalnym Dochodzenie (2011–2014), za którą był nominowany do Nagrody Saturn w kategorii najlepszy drugoplanowy aktor telewizyjny. Od 2018 gra główną rolę w serialu telewizyjnym Altered Carbon.