Va néixer al si d'una família de l'alta societat. Els seus pares, Sally Bartlett i Joseph Cotten Sr. van tenir altres dos fills, Whit i Sam, sent Joseph el més gran. El 1931 es va casar amb la seva primera dona, Leonore Kipp, una pianista, i el seu matrimoni va durar fins a la mort d'ella en l'any 1960. En l'any 1960 es va casar amb Patricia Medina, i el matrimoni va durar 34 anys, fins a la mort d'ell. Després d'una llarga lluita contra el càncer, va morir de pneumònia l'any 1994.