Литлвуд учился в St Paul’s School Лондоне, одним из его преподавателей был Ф. С. Маколей, известный своим вкладом в теорию идеалов. Позднее он учился в Тринити-колледже в Кембридже и был одним из лучших выпускников (Senior Wrangler) 1905 года. Он стал сотрудником факультета (Fellow of Trinity College) в 1908 году, и, за исключением трех лет преподавания в университете Манчестера, вся его карьера прошла в Кембридже. Литлвуд стал профессором математики этого университета в 1928 году и ушёл в отставку в 1950.
Литлвуд был членом Королевского общества с 1916 года, получив за свою жизнь Королевскую медаль (Royal Medal, 1929), медаль Сильвестра (Sylvester Medal, 1943) и медаль Копли (1958). Он был президентом Лондонского математического общества с 1941 по 1943 годы, был награждён медалью де Моргана (De Morgan Medal) в 1938 году и премией Бервика (Senior Berwick Prize) в 1960.
Основные работы самого Литлвуда относятся к математическому анализу и теории чисел. Ещё в молодости он показал, что если гипотеза Римана верна, то верна и теорема о распределении простых чисел. Также многие его работы относятся к той области математики, что позднее стала называться теорией динамических систем.
Большинство работ Литлвуд выполнил в сооавторстве с с Г. Харди. Они высказали первую и вторую гипотезы Харди-Литлвуда относящиеся к оценкам распределений простых чисел. Литтвуд проявил себя как талантливый педагог, его книга «Неравенства» написанная вместе с Харди и Пойа стала классической. Также он внёс вклад в популярную математику.
Из его учеников наиболее известны С.Рамануджан и П.Свиннертон-Дайер