Après des rôles de figuration au cinéma dès l'âge de cinq ans, Josette Day est petit rat à l'Opéra. Elle abandonne cette carrière à la suite d'une chute en pleine représentation. C'est en Suède qu'elle retrouve le cinéma, devenu parlant, engagée sur un coup de chance pour Serments (Henri Fescourt, 1931).
Mis à part quelques exceptions, Josette Day fait longtemps figure de jeune première chargée d'assurer l'heureux dénouement de l'intrigue. Présente dans de nombreuses comédies (Allô Berlin, ici Paris, Julien Duvivier, 1932), elle tourne aussi des drames historiques (Lucrèce Borgia, Abel Gance, 1935). En 1939, elle est découverte par Marcel Pagnol qui l'engage comme vedette féminine face à Raimu pour sa production Monsieur Bretonneau (Alexandre Esway, id.). En 1940, elle endosse le rôle qu'il a spécialement écrit pour elle : La Fille du puisatier avec pour partenaires, Fernandel et Raimu . Mais son troisième film pour Pagnol, La Prière aux étoiles lui vaut d'être fustigée pour sa création et signe sa rupture avec l'écrivain en même temps que l'abandon du rôle. En 1945, Jean Cocteau lui offre sa revanche dans le rôle féminin de La Belle et la bêteoù sa beauté simple et lumineuse crève l'écran. Réussite aussi avec Les Parents terribles, (id., 1948) où elle apparait, chargée d'une nouvelle dimension dramatique. Après un dernier film réalisé en Suisse, en 1949, Swiss Tour , Josette Day se remarie et quitte définitivement l'écran.
Josette Day est également actrice de théâtre (Une femme qui a le coeur trop petit). Sa carrière terminée, elle se consacre à des oeuvres caritatives.