Nato a Stoccolma, Joel Kinnaman si è diplomato alla Swedish Academic School of Drama. Tra gli ex-alunni della scuola, troviamo anche Stellan Skarsgård, Peter Stormare e Lena Olin.
Nel giro di pochi anni, Kinnaman è diventato uno degli attori più richiesti di Hollywood. Kinnaman è apparso in ROBOCOP, per la regia di José Padhilla. L'attore interpretava il protagonista, l'agente di polizia Alex Murphy, accanto ad un cast di tutto rispetto, che comprendeva, tra gli altri, Gary Oldman, Samuel L. Jackson e Abbie Cornish. Tra i suoi progetti futuri CAVALIERE DI COPPE, di Terrence Malick, al fianco di Natalie Portman e Christian Bale. Kinnaman inoltre recita con Liam Neeson in RUN ALL NIGHT, per la regia di Jaume Collet-Serra.
Originario della Svezia, Kinnaman fece il suo debutto in patria grazie all'adattamento cinematrografico della trilogia di SNABBA CASH, per la regia di Daniel Espinosa. Il primo dei tre film tratti dai bestseller internazionali firmati da Jens Lapidus polverizzò il precedente record di incassi in Svezia. Per la sua interpretazione nel film, Kinnaman vinse un premio Guldbagge (l'equivalente svedese degli Oscar) come miglior attore nel 2011. Nel 2013, Kinnaman recitò nell'ultimo capitolo della serie.
La sua scalata verso il successo cominciò dopo aver fatto dei provini per il ruolo principale nel film MAD MAX: FURY ROAD, per la regia di George Miller, e in THOR, per la Paramount. Poco dopo essersi trasferito a Los Angeles, l'attore ottenne la parte del protagonista maschile nella serie di AMC, "The Killing", terminata lo scorso anno. Kinnaman ha recitato in L'ORA NERA, ha avuto un cameo in UOMINI CHE ODIANO LE DONNE, ha ritrovato il regista Daniel Espinosa nel thriller SAFE HOUSE - NESSUNO È AL SICURO, e ha fatto il suo debutto in una commedia romantica, LOLA VERSUS.