Den Durchbruch brachte ihm die Rolle des Jagdfliegerpiloten in Michael Bays "Pearl Harbor" (2001), wo Josh Hartnett als bester Freund von Ben Affleck sich nach dessen angeblichem Tod in die hübsche Krankenschwester Evelyn (Kate Beckinsale) verliebt. Der Konflikt mit dem wieder aufgetauchten Freund wird durch den Krieg beiseite geschoben, bis er sich bei einem Einsatz über Tokio und auf dem chinesischen Festland für Affleck opfert und im Sterben erfährt, dass er Vater wird. Josh Hartnett ähnelt äußerlich Matt Damon, aber ohne dessen unbekümmerte Gleichgültigkeit, sondern mit stets melancholisch umflorten Blick und kantigeren Gesichtszügen.

Der in San Francisco geborene Hartnett spielte zunächst Theater und hatte das Glück, zwei Wochen nach seinem ersten Vorsprechen für eine Rolle in einem TV-Drama unterzukommen. Im Spielfilm debütierte er als Sohn von Jamie Lee Curtis in Steve Miners Horror-Schocker "Halloween H20" und als Junkie Zeke in Robert Rodriguez' "The Faculty - Traum keinem Lehrer!", wo er mit seinen Freunden, darunter Elijah Wood, gegen die zu körperfressenden Aliens mutierten Lehrer kämpft und das Muttertier sucht.

Hartnett wandte sich in der Folgezeit vom Genre der Teen-Scream-Filme ab und gehörte in Sofia Coppolas Regiedebüt "The Virgin Suicides" zu den Provinzschülern, die die Selbstmorde der fünf Mädchen erleben. In der Komödie "Stadt, Land, Kuss" spielte er den hitzigen Sohn von Warren Beatty und Diane Keaton. Er bewies sein komisches Talent in der britischen Komödie "Über kurz oder lang" und versuchte, "40 Tage und 40 Nächte" ohne Sex auszukommen. Schließlich gehörte er zum Star-Ensemble von Ridley Scotts radikalem und schonungslosem Kriegsfilm "Black Hawk Down" und stand hier nach "Pearl Harbor" erneut in einer Bruckheimer-Produktion vor der Kamera. In Ron Sheltons satirischer Polizisten-Komödie "Hollywood Cops" wird Hartnett dem Veteranen Galivan (Harrison Ford) an die Seite gestellt, wobei der Blickwinkel auch den Nebentätigkeiten gilt, zu denen die Cops aus finanziellen Gründen gezwungen sind - Hartnetts K.C. beglückt als Yoga-Lehrer schöne Frauen spirituell und auch körperlich, während er zusätzlich an einer Karriere als Schauspieler feilt.

In "Sehnsüchtig", Paul McGuigans Neuverfilmung des französischen Melodrams "Lügen der Liebe" (1996) spielte er zusammen mit Diane Krüger das tragische Liebespaar. Zwei Jahre später, 2006, engagierte ihn derselbe Regisseur für die Titelrolle seines Thrillers "Lucky Number Slevin". Nachdem seine Familie von einem Mafiakiller ermordet wurde, spürt er den Mörder auf und rächt sich ebenso an ihm wie an den Hintermännern. Hartnett erhielt hierfür auf dem Mailänder Filmfest die Auszeichnung als bester Schauspieler. 2004 lernte er am Set des Films "The Black Dahlia" Scarlett Johansson kennen, mit der er bis Anfang 2007 liiert war. Seine Darstellung des naiven Polizisten Bucky Bleichert, der sich in zwei Frauen (Hilary Swank und Scarlett Johansson) verliebt, überzeugte auch die Kritiker. Brian De Palmas komplexer Thriller nach einem Roman von James Ellroy wurde für den Goldenen Löwen in Venedig nominiert. In "30 Days of Night" setzt er sich zusammen mit seiner Frau (/Melissa George) als junger Sheriff gegen eine Horde Vampire zur Wehr. Der Horrorfilm wurde von Sam Raimi produziert und von David Slade inszeniert.