Justin débute sa carrière avec le rôle de Matt Soulsby dans Taking Lives Destins Violés aux côtés d'Angelina Jolie et Ethan Hawke. Ce rôle lui ouvrira les grandes portes : il joue avec Ralph Fiennes dans The Chumscruber.
Steven Spielberg le repère et le choisit pour interpréter le rôle de Robbie Ferrier, le fils de Tom Cruise dans La Guerre Des Mondes sorti en 2005.
Justin Chatwin est également présent sur le petit écran, avec des apparitions dans des séries télévisées très prisées telles que Smallville, Lost et Weeds. Il a eu droit aux éloges du magazine Newsweek pour son rôle dans la mini série Traffic, réalisée par Stephen Hopkins.
Il tient son premier rôle-titre en 2007 dans L'Invisible, celui de Nick Powell, un adolescent devenu fantôme suite à son assassinat.

