A virginiai segéd-postamester elsőszülött fia, Joseph Cheshire Cotten Jr. már korán tehetséget mutatott a színjátszás és a történetmesélés terén. Hosszú ideig a családjának törlesztett, hogy visszafizesse nekik, hogy támogatták és finanszírozták washingtoni magánóráit (Hickman School of Expression). Először amerikaifutball-mérkőzéseken volt beugró „idegenlégiós”, majd vizi életmentőnek szegődött, de 1925-ben már a The Miami Herald sajtóhirdetési ügynökeként dolgozott. Később színházi kritikákat is írt a lapnak, ami hozzásegítette, hogy bemutatkozzon a színpadon is; először Miamiban, majd a Heraldnál szerzett kapcsolatait felhasználva New Yorkba ment, hogy színpadvezető asszisztensként próbáljon szerencsét. Onnan egy szezon idejére Bostonba szerződött és a Copley Színházban csiszolhatta színészi képességeit.
A gazdasági válság elmélyülése miatt azonban nehezen élt meg választott mesterségéből, ezért alkalmi modellkedésből és ipari filmek szerepeiből, valamint néhány rádiójáték szinkronjából próbált pénzt keresni. Végül 1932-ben sikerrel mutatkozott be a Broadwayn, öt évvel később pedig leszerződött Orson Welles frissen alakult, független és formabontó színi társulatához, a Mercury Theatre-hez. A rendező- és színészzsenivel Cotten 1934-ben egy rádiójáték alkalmával találkozott és életreszoló (Welles 1985-ben bekövetkezett haláláig tartó) barátságot kötöttek (Cotten volt például Welles tanúja, amikor az összeházasodott Rita Hayworth-szel).
Első filmszerepeit (és az azzal együttjáró népszerűséget) is Wellesnek köszönhette: először 1938-ban egy színházi előadáshoz készült mozgóképes anyag főszereplőjeként (Too Much Johnson), majd három évvel később a filmtörténet megkerülhetetlen hivatkozási pontjában, az Aranypolgár-ban alakította a főszereplő sajtómágnás Charles Foster Kane (Welles) legjobb barátját, Jedediah Leland drámakritikust.
Welles felkérése az Aranypolgár-ra a legjobbkor érkezett. Cotten ugyanis épp azon szomorkodott, hogy nem rá osztották a George Cukor rendezte Philadelphiai történet (1940) férfi főszerepét. Holott a film alapjául szolgáló, Katherine Hepburn számára írt Philip Barry-darabot a New York-i Shubert Theatre-el részben ő vitte sikerre, s okkal remélhette, hogy bekerül a filmváltozatába, mivel a színpadi verzióhoz épp Hepburn választotta ki maga mellé, amikor látta Cottent egy Mercury Theatre-előadásban. Csakhogy a megfilmesítés jogait megszerző (Howard Hughes-tól kapta, ajándékul), az MGM vezetőivel teljes produceri szabadságban megállapodott Hepburn ezúttal már bejáratott mozisztárokat akart. George Cukort könnyen meggyőzte, de Clark Gable és Spencer Tracy helyett be kellett érnie Cary Granttel és James Stewarttal (aki Oscart nyert a filmmel).
Egy évet töltöttem azzal, hogy felépítsem Cary Grant szerepét
- jegyezte meg keserűen Cotten, majd másfél évtizeddel később hasonlóan járt a Sabriná-val, amikor az általa a Broadway-n eljátszott szerepet Billy Wilder Humphrey Bogartra osztotta.
Első igazi filmszerepe, az Aranypolgár így is berobbantotta a karrierjét. Alexander Korda felkérte a Lydia (1941) mellékszerepére, majd eljátszotta egy újabb Welles-remekmű, a Booth Tarkington Pulitzer-díjas családregényéből készült, az autóipar fellendülése idején játszódó Az Ambersonok tündöklése főszerepét, valamint Welles második világháborús kémfilmjének, a társforgatókönyvíróként is jegyzett Utazás a félelembe (1942) ügynök figuráját. Igaz, Az Ambersonok tündöklése miatt kissé összekülönböztek Wellesszel. Amíg ugyanis a rendező Brazíliában élvezte az életet, a tesztvetítések sikertelenségére fogva az RKO stúdió Robert Wise-zal (az Aranypolgár Oscar-jelölt vágója, később 4 Oscar-díjat nyert rendező, producer: West Side Story, A muzsika hangja) alaposan megvágatta a filmet, s bugyuta happy endet kanyarítottak a sötét drámához. A döntést pedig Cotten tolmácsolta Wellesnek, levélben.
A három Welles-filmnek köszönhetően Cotten hirtelen kapós lett Hollywoodban. Csakhogy többnyire egyszerű sármőrként tűnt fel a vásznon (Csattan a csók, Mióta távol vagy, Szerelmes levelek), s csak kevés rendező tudta kihasználni összetett játékát. Alfred Hitchcock például éles szemmel érzett rá, hogy a férfi tisztaság divatos mintaképének kell alakítania A gyanú árnyékában (1943) sima modorú, gyilkos nagybácsiját. De George Cukor is jól használta Cotten sármőr-imázsát az 1944-es Gázláng-ban, ahogy King Vidor is remekül állította szembe a nőcsábász gazember, Gregory Peck talpig úriember bátyjaként a Párbaj a napon című 1946-os westernben.
A negyvenes években az amerikai filmakadémia rendre elsiklott Cotten féltucatnyi remek alakítása fölött, de a Velencei Filmfesztivál 1949-ben a legjobb színész díjával tüntette ki a Jennie arcképe című, melodrámába oltott fantasyban nyújtott alakításáért.
Ugyanebben az évben mutatták be Londonban Carol Reed remekművét A harmadik ember című brit film noirt, amelyben Cotten pályafutása legemlékezetesebb alakítását nyújtotta. A Graham Greene forgatókönyvéből készült, közvetlenül a második világháború befejezését követően játszódó filmben Cotten egy Holly Martins nevű lecsúszott amerikai ponyvaregény-írót alakít, aki a négy szövetséges által négy övezetre osztott romos Bécsbe utazik, hogy találkozzon egykori diáktársával, Harry Lime-mal (Orson Welles), aki munkát ígért neki. Csakhogy mire Martins megérkezik, Lime baleset következtében meghalt. A brit katonai rendőrség tisztje a temetés után figyelmezteti az írót, hogy Lime bűnöző volt, és jobban teszi, ha visszautazik; a férfi viszont marad, tisztázná barátja nevét, pártfogásába venné Lime színésznő szerelmét (Alida Valli), aki szerint gyilkosság történt. Martins pedig egyre inkább kételkedni kezd, hogy Lime valóban meghalt. Lassan hömpölygő, pesszimista és sötét atmoszférájú, a hidegháborús paranoiát előrevetítő film a romlásról, amelynek szürreális-vészjósló hangulatát emelik az operatőr, Robert Krasker Oscar-díjas képei, ferde síkú, az arcokat és városrészeket nagylátószögű optikával eltorzító beállításai, a német expresszionizmust idéző fény-árnyék játéka. Mintha ebben a zónákra tagolt, szétszabdalt és szétbombázott titokzatos városban a valóságot kifordították volna. Ellenpontozásként Anton Karas könnyed, már-már vidám citerazenéje épp az ellenkezőjét sugallja: ártatlan kis tréfa az egész.
A színészi alakítások is ezt a kettősséget mutatják, Cotten egyszerre naiv és gondterhelt tekintete szöges ellentétben áll a filmbe „egyszer csak megérkező” Welles gúnyos-sejtelmes mosolyával. Cotten uralja a filmidőt, de amikor Welles feltűnik, jelenléte mindenkire árnyékot vet. Még Greenre is.
Itáliában a Borgiák harminc év alatt a háború, a terror, a gyilkosság és a vérontás mellett helyet adtak Michelangelónak, Leonardo da Vincinek, és létrehozták a reneszánszot. Svájcban mindenki testvérként szerette egymást, ötszáz éven keresztül éltek békében és demokráciában – és mit sikerült létrehozniuk? A kakukkos órát
- a film híres monológját Welles rögtönözte, állítólag egy (közelebbről meg nem nevezett) magyar darabból kölcsönözve a gondolatot.
Az viszont Carol Reednek köszönhető, hogy a film nem minden feszültséget eloszlató happy enddel ér véget. Greene és a film amerikai producere, David O. Selznick (a brit producerek: Reed és Korda) ugyanis boldog befejezést akartak (a film eredeti forgatókönyvében Greene azt írta: „és a lány belekarolt a férfiba”). A fináléban, a második temetői nagyjelenetben a hazetérni igyekvő Cotten meglátja az ezúttal jogosan gyászoló Vallit, bevárja a temetői ösvényen, lazán egy járművek támaszkodik, de hiába reménykedik, a nő rá se néz, ellenben határozott tempóban kisétál a képből. Cotten lassan rágyújt, rezignáltan pöcköli el a gyufát. A lemondás és beletörődés tökéletes képsora, Cotten pályafutásának karizmatikus jelenete.
A BAFTA- és cannes-i nagydíjas A harmadik ember-t 20 évvel ezelőtt a Brit Filmintézet minden idők legnagyszerűbb brit filmjeként nevezte meg, de megítélése az azóta elmúlt két évtizedben sem sokat kopott: 2017-ben a Time Out magazin 150 filmes szakember bevonásával készült listáján a második legjobb brit film lett (Nicolas Roeg Ne nézz vissza! című filmje mögött).
Cotten később már nem játszott főszerepet efféle remekművekben. 1981-ig tartó pályafutása hátralévő részében megbízható alakításokat nyújtott, de a stúdiók jóformán elkótyavetyélték tehetségét, és elvétve kínálva számára alkalmas szerepet. Az ötvenes években például Marilyn Monroe oldalán parádézott a Niagará-ban (1953) és játszott feledhető sci-fiben (A Földtől a Holdig, 1958), miközben munkamániáját egyre inkább tévéprodukcióknál és a Broadway-n élte ki, és persze Welles kedvéért cameozott az Othelló-ban (1952) és A gonosz érintésé-ben (1958).
1960-ban csillagot kapott a Hollywoodi Hírességek Sétányán, akkor, amikor jóformán már csak mellékszerepekben foglalkoztatták a stúdiók, és erőteljesen kezdett beszorulni a B-filmek stáblistájába. A hetvenes években főleg brit (A förtelmes Dr. Phibes) és olasz horrorokban (Lady Frankenstein, Baron Blood), illetve krimiben (Il giustiziere sfida la città) kapott főszerepet, de azért forgatott Tony Richardsonnal (Kényes egyensúly) is. 1979-ben együtt dolgozott Michael Ciminóval és Zsigmond Vilmossal (Mennyország most, 1980). Utolsó filmjét 1981-ben mutatták be (The Survivor), abban az évben szívrohamot, majd agyvérzést kapott, és megsérült az agyi beszédközpontja. 1990-ben gégerákkal diagnosztizálták. 1994. február 6-án, 88 éves korában halt meg.