Joe Dempsie recibió su formación como actor en el Central Junior Television Workshop, Nottingham, así como en la West Bridgford School en West Bridgford, Nottinghamshire. El principio de la carrera de Dempsie incluye créditos en series de dramas médicos con Doctors, Peak Practice y Sweet Medicine, y también papeles en películas como el drama cómico Heartlands (2002) y la comedia One for the Road (2003). Entre el 2007 y 2008 formó parte del elenco principal de la exitosa serie juvenil Skins, donde interpretó el papel Chris Miles durante las primeras dos temporadas. En 2011, Joe Dempsie comenzó a trabajar en la serie de HBO Game of Thrones interpretando a Gendry, hijo bastardo del rey Robert Baratheon durante cinco temporadas. También apareció en la pantalla grande en The Damned United (2009), Blitz (2011), Monsters: Dark Continent (2014) y Dark River (2017). Dempsie aún no confirma cúal será su próximo proyecto en la televisión o la pantalla grande.