Ричардсон родилась в Лондоне в знаменитой театральной семье. Её мать — актриса Ванесса Редгрейв, а отец — режиссёр Тони Ричардсон, она внучка сэра Майкла Редгрейва и Рэйчел Кемпсон, леди Редгрейв. Джоэли Ричардсон также сестра актрисы Наташи Ричардсон, которая погибла на горнолыжном курорте в 2009 году. Впервые актриса появилась на экране в возрасте трех лет в фильме «Атака легкой кавалерии», режиссёром которого был её отец. Образование она получила в Школе Тэчера в городе Охаи, Калифорния.
Джоэли хотела стать профессиональной теннисисткой и провела два года в теннисной академии во Флориде, но в 1985 году вновь появилась на экранах в роли юной версии персонажа, сыгранного её матерью в фильме «Уэтерби». После роли в фильме культового режиссёра Питера Гринуэя «Отсчет утопленников», Джоэли сыграла главного персонажа в одном из эпизодов телесериала «Пуаро». В 1991 году она появилась в небольшой, но запоминающейся роли финской принцессы Анны в комедии «Король Ральф» с Джоном Гудменом, в 1992 году вместе с мужем сестры, актёром Лиамом Нисоном, Джоэли сыграла нацистку в фильме «Свет во тьме», а в 1993 — леди Чаттерлей в телефильме «История любви леди Чаттерлей» с Шоном Бином.
В 1996 актриса играет одну из главных ролей, дизайнера Аниту, в популярной диснеевской экранизации мультфильма «101 далматинец». В 2000 году появляется в главной роли в фильме Бена Элтона «Всё возможно, детка» с Хью Лори и играет сестру жены персонажа Мела Гибсона в фильме «Патриот».
В 2003 году Ричардсон получает роль Джулии МакНамара в «Частях тела», телесериале о двух пластических хирургах. Её мать, Ванесса Редгрейв, также появляется в нескольких эпизодах телесериала в роли матери Джулии. За эту роль Джоэли дважды номинировалась на премию «Золотой глобус» (2004, 2005) и дважды — на премию «Спутник» (2004, 2005).
В ноябре 2006 Джоэли заявила о том, что покидает сериал, чтобы ухаживать за больной дочерью, но создатель сериала Райан Мёрфи специально написал альтернативный финал сезона на тот случай, если актриса вернётся. В 2007 году она действительно вернулась в сериал и появилась в 12 эпизодах из 13.
В 2007 году Ричардсон также сыграла мать в фильме «Последняя Мимзи Вселенной» вместе с Тимоти Хаттоном и Крисом О’Нилом.