Logan Wade Lerman est né à Beverly Hills, Californie, États-Unis. Sa mère, Lisa, est son manager, et son père, Larry, est un homme d'affaires. Il a un frère et une sœur, Lucas et Lindsey, dont il est le cadet. La plupart des membres de sa famille travaillent dans le domaine médical ; sa famille détient également la compagnie Lerman & Son, fabricant de prothèses et orthèses, fondée par un de ses arrière-grands-parents, Jacob Lerman, en 1915. Celle-ci est actuellement dirigée par ses grands-parents paternels, Mina et Max Lerman. Sa famille est juive, et son arrière-grand-père maternel fut président de la loge du B'nai B'rith en Californie. Il est en couple depuis 2010 avec Alexandra Daddario.
Logan Lerman commence sa carrière à l'âge de quatre ans en faisant une apparition dans une publicité. En 2000, l'acteur obtient son premier rôle au cinéma en incarnant William Martin, l'enfant de Mel Gibson dans The Patriot. La même année, il fait une apparition dans le film Ce que veulent les femmes, une comédie toujours avec Mel Gibson. L'année suivante on peut le voir dans Riding in Cars with Boys où il tient le rôle de Jason à l'âge de huit ans et plus tard dans le thriller L'Effet papillon où il incarne Evan Treborn à l'âge de 7 ans aux côtés d'Ashton Kutcher. En 2004, il obtint un des rôles principaux dans la série Jack et Bobby, rôle pour lequel il obtint un Young Artist Award. En 2005, il joua Roy Eberrhardt, personnage principal du film Hoot aux côtés de son meilleur ami Dean Collins. En 2007 il joua le rôle du fils de Walter Sparrow, joué par Jim Carrey, dans le film Le Nombre 23. Cette année il joua également dans le western 3 h 10 pour Yuma. En 2008, il partagea l'écran avec Aaron Eckhart dans le film Meet Bill. En 2009, il apparut dans le film Ultimate Game, et joua le rôle principal du film My One and Only. Cette même année, il joua le rôle lui valant sa reconnaissance, dans le film Percy Jackson : Le Voleur de foudre, série pour laquelle il a déjà signé pour deux autres volets.
Le film Les Trois Mousquetaires, avec Orlando Bloom, est sorti en salle le 12 octobre 2011. Il y joue D'Artagnan, le quatrième mousquetaire. Il joue aussi le rôle principal dans Le Monde de Charlie de Stephen Chbosky, aux côtés d'Emma Watson, sorti dans les salles françaises le 2 janvier 2013. Logan a signé pour apparaître dans The Only Living Boy in New York, un film indépendant écrit par Allan Loeb et dirigé par Seth Gordon mais en attendant, Logan a tourné dans Noé, film réalisé par Darren Aronofsky dans lequel il partage l'affiche avec Russell Crowe et Emma Watson (deux acteurs avec qui il a déjà tourné auparavant). En 2013, il tourne dans les films Percy Jackson : La Mer des monstres et L'Amour malgré tout, avec Kristen Bell, Lily Collins et Jennifer Connelly.