Joe Penna comenzó su carrera en YouTube: registró su canal, MysteryGuitarMan, en junio de 2006 y para enero de 2011 ya se había convertido en el canal con más suscriptores de Brasil. Su salto a la dirección fue en 2009, cuando dirigió un anuncio en colaboración con Rhett y Link titulado T-Shirt War, con el que atrajo la atención internacional. Poco después, Penna fue seleccionado como uno de las 10 mejores directores nuevos en la vigésima edición de Cannes Lions Saatchi & Saatchi New Directors 'Showcase'. Posteriormente, continuó dirigiendo y apareciendo en anuncios publicitarios y se hizo conocido por sus técnicas de stop-motion. En marzo de 2016, su cortometraje Turning Point fue seleccionado para presentarse en el Festival de Cine de Tribeca. Su primer largometraje como director, Arctic fue selección oficial del Festival de Cine de Cannes 2018. En 2021 presenta su segundo largometraje, Pasajero inesperado, en la que un polizón en misión a Marte desencadena una serie de consecuencias no deseadas.