Джо Уолтон родилась в Абердэре, в Уэльсе. Она посещала начальную школу Парк Скул, затем среднюю школу для девочек в Абердэре. В течение года она жила в Кардиффе, ходила в Хауэллс Скул в районе Лландафф, затем завершила свое образование в школе Освестри в Шропшире и в Ланкастерском университете. Два года она жила в Лондоне, до 2007 г. - в Ланкастере, затем переехала в Суонси, где жила до своего переезда в Канаду в 2002 году. Уолтон говорит на валлийском. Вот что она рассказывает по этому поводу: «Это второй язык семьи, в которой я родилась, моя бабушка была известным специалистом по валлийскому языку и переводчиком, я изучала его в школе с пяти до шестнадцати лет, я десять лет не упражнялась в грамматике и лексике, но пока никаких проблем с произношением».

Уолтон начала писать, когда ей было 13 лет, но ее первый роман был опубликован только в 2000 году. До того она публиковалась в различных журналах, посвященных ролевым играм, например, в Pyramid, большей частью в сотрудничестве со своим тогдашним мужем, Кеном Уолтоном. Уолтон также довольно активно участвовала в сетевом научно-фантастическом фандоме, особенно в Юзнет-группах rec.arts.sf.written и rec.arts.sf.fandom. Ее стихотворение "The Lurkers Support Me in E-Mail" широко цитировалось в них и в других сетевых дискуссиях, часто без указания имени автора. Ее первые три романа, The King's Peace (2000), The King's Name (2001) и The Prize in the Game (2002) были фэнтезийными, их действие разворачивается в одном и том же мире, который основывается на легендах Британии короля Артура и ирландской саге «Похищение быка из Куальнге» (Táin Bó Cúailnge).

Ее следующий роман, Tooth and Claw (2003) был задуман как роман, который бы мог написать Энтони Троллоп, но больше о драконах, чем о людях. Farthing был ее первым научно-фантастическим романом, в котором жанр «уютной» тайны размещался внутри альтернативной истории, где Объединенной Королевство заключило мир с Адольфом Гитлером до вступления Соединенных Штатов во Вторую мировую войну. Роман был номинирован на премии «Небьюла» и «Квилл», мемориальную премию Джона В. Кэмпбелла за лучший научно-фантастический роман, а также на премию «Сайдвайз» за альтернативную историю. Продолжение, Ha'penny , было опубликовано в октябре 2007 года издательством Tor Books, а финальная книга трилогии, Half a Crown – в сентябре 2008 года. “Ha'penny” был отмечен премией «Прометей» в 2008 году (вместе с романом Гарри Тертлдава “The Gladiator”) и номинирован на премию «Лямбда».

В апреле 2007 года Говард В. Хендрикс заявил, что профессиональные писатели никогда не должны раздавать свои произведения бесплатно через Интернет, иначе они будут походить на штрейкбрехеров. Уолтон ответила на его слова тем, что объявила 23 апреля Международным днем Испачканных Пикселями Техно-деревенщин (International Pixel-Stained Technopeasant Day), в этот день писатели, несогласные с Хендриксом, могут все вместе распространять свои истории в Интернете. В 2008 году Уолтон отметила этот день, опубликовав несколько глав продолжения к своему роману Tooth and Claw – “Those Who Favor Fire”. В 2008 году Уолтон начала вести колонку для Tor.com, где пишет в основном ретроспективные обзоры вышедших в прежние годы книг.

Уолтон переехала в Монреаль (Квебек) после публикации своего первого романа. Она замужем за выходцем из Ирландии, доктором Эмметом А. О’Брайеном. У нее один ребенок, сын Саша.