Saat mewawancarai Nia Dinata untuk The Jakarta Post, produser dan sutradara film itu sangat terkesan dengan Joko dan mengajaknya untuk menulis proyek filmnya yang kemudian dikenal dengan judul Arisan! (2003). Film tersebut mendapat sukses yang luar biasa baik secara komersial maupun pujian dari para kritikus dan memenangkan beberapa penghargaan di dalam dan luar negeri termasuk "Film Terbaik" di Festival Film Indonesia 2004 and "Best Movie" di MTV Indonesia Movie Awards pada tahun 2004.
Joko lalu menyutradarai film pertamanya, sebuah komedi romantis berjudul Janji Joni (Joni's Promise) (2005), yang dia tulis saat dia masih duduk di bangku kuliah pada tahun 1998. Film yang dibintangi oleh Nicholas Saputra dan Mariana Renata ini merupakan salah satu peraih box office terbesar pada tahun itu dan memenangkan "Best Movie" di MTV Indonesia Movie Awards tahun 2005. SET Foundation yang diketuai oleh pembuat film Garin Nugroho memberikannya penghargaan khusus untuk "cara bercerita yang inovatif' dalam film itu. Janji Joni (Joni's Promise) juga masuk dalam seleksi beberapa festival film internasional bergengsi, antara lain Sydney Film Festival dan Pusan International Film Festival. Film ini juga menghidupkan kembali karier Barry Prima, yang dikenal dunia internasional sebagai seorang bintang laga film cult yang merupakan bintang film favorit Joko sewaktu kecil.
Pada tahun 2007, Joko Anwar menulis dan menyutradarai Kala, yang disebut-sebut sebagai film noir pertama dari Indonesia yang mendapat pujian dari para kritikus internasional. Majalah film terkemuka dari Inggris, Sight & Sound, memilih film ini sebagai salah satu film terbaik pada tahun itu dan juga menamakan Joko sebagai "salah satu sutradara tercerdas di Asia". Film ini terpilih dalam seleksi lebih dari 30 film festival internasional dan memenangkan beberapa penghargaan, termasuk di antaranya sebuah Jury Prize di New York Asian Film Festival. The Hollywood Reporter menyebut Kala sebagai "sebuah "film noir" cerdas yang mengingatkan penonton pada film "M" karya Fritz Lang" Film ini juga telah disandingkan dengan karya-karya Alex Proyas dan Kiyoshi Kurosawa.
Selain menulis skenario untuk disutradarainya sendiri, Joko Anwar juga menulis skenario untuk sutradara lain, termasuk film komedi Quickie Express, yang memenangkan "Best Film" di Jakarta International Film Festival pada tahun 2008, dan Jakarta Undercover. Dua film tersebut juga sukses secara komersial. Joko juga menulis skenario film fiksi. yang mendapat pujian dari para kritikus internasional dan memenangkan banyak penghargaan, antara lain "Film Terbaik" dan "Skenario Terbaik" di Festival Film Indonesia 2008.
Film Joko Anwar selanjutnya adalah Pintu Terlarang yang dirilis pada tahun 2009. Film ini adalah sebuah film thriller psikologis yang juga mendapat pujian dari para kritikus. Kritikus Richard Corliss dari majalah TIME menulis, "Cerdas sekaligus sakit, film ini bisa jadi kartu panggilan buat Joko Anwar sebagai sutradara kelas dunia, kalau saja para petinggi Hollywood menginginkan sesuatu yang lain dari produk mereka yang itu-itu saja". Dia juga menyebutkan bahwa film ini merupakan "contoh sejauh apa film bisa dibuat tetapi jarang dicoba". Maggie Lee dari The Hollywood Reporter menulis bahwa film Joko Anwar ini akan "membuat (Alfred) Hitchcock dan (Pedro) Almodovar bangga", dan menyebutkan bahwa "Joko Anwar memberikan film horor-suspens yang menakutkan ini dengan serangkaian penghargaan kepada para pembuat film terkemuka secara menakjubkan". Film ini juga telah masuk dalam seleksi beberapa festival film internasional terkemuka, termasuk di antaranya International Film Festival Rotterdam, New York Asian Film Festival, dan Dead by Dawn. Pintu Terlarang juga memenangkan penghargaan tertinggi sebagai film terbaik di Puchon International Fantastic Film Festival 2009.
Pada 2012, Joko mengumumkan dua film yang akan disutradarainya yaitu Pernikahan Terakhir di Bumi dan Eksekutors. Pada 2015, Joko juga menyebutkan A Copy of My Mind akan menjadi film pertama dari Trilogi Kapsul Waktu selain sekuelnya yang akan diproduksi A Copy of My Soul dan A Copy of My Heart. Joko juga akan menyutradarai dua film lainnya dari tiga film hasil kerja sama dengan Ivanhoe Pictures selain Perempuan Tanah Jahanam yaitu Ghost in the Cell dan The Vow. Sebuah sekuel dari Pengabdi Setan dan Perempuan Tanah Jahanam juga sedang direncanakan.