Jo Heim wurde am 8. Januar 1958 in Stuttgart geboren. Erste Eindrücke von filmischer Praxis bekam er in jungen Jahren durch seine Eltern, die ambitionierte Super-8-Filmer waren, so Heim in einem Interview. Als er 19 Jahre alt war, schenkten sie ihm eine Kamera, mit der er auf einer Reise in die Sahara seinen ersten eigenen Film drehte. Nach seiner Rückkehr absolvierte Heim allerdings zunächst ein Diplom-Studium in Betriebswirtschaft, bevor er sich der Filmkunst zuwandte und 1984 ein Regiestudium an der Münchner Hochschule für Fernsehen und Film (HFF) aufnahm. Während des Studiums spezialisierte er sich auf Kameraarbeit und zeichnete bei zahlreichen kurzen und mittellangen Filmen von HFF-Kommilitonen für die Bildgestaltung verantwortlich.

Nach seinem Abschluss drehte Jo Heim zunächst vor allem Musikvideos, unter anderem für die Thrash-Metal-Bands Kreator ("Coma of Souls", 1990) und Mental Vortex ("I Want You", 1991), oder die Punk-Popband Extrabreit ("CVJM", "Nichts ist für immer", beide 1996). Als Camera Operator war er an Herbert Grönemeyers Konzertvideo "Luxus Live 91" beteiligt; bei Doris Dörries Spielfilm "Keiner liebt mich" (1994) fungierte er als 2. Kameramann. 

Mitte der 1990er Jahre begann Heim fürs Fernsehen zu arbeiten, zunächst bei Dokumentationen der Reihe "Schauplätze der Weltkulturen" (1996) und bei Einzelfolgen der Krimiserie "S.O.S. Barracuda" (1997) und "Ein Fall für zwei" (1997). Auch seine ersten Langfilme als verantwortlicher Kameramann drehte Heim fürs Fernsehen: die Münchner "Tatort"-Folge "Der Teufel" (1997) und Friedemann Fromms Thriller "Spiel um dein Leben" (1997, TV). Mit Fromm arbeitete Heim in den folgenden 15 Jahren immer wieder zusammen, so etwa bei dem Kinofilm "Schlaraffenland" (1999), bei der Serie "Unter Verdacht" (2002-2004), bei der viel gelobten "Tatort"-Folge "...es wird Trauer sein und Schmerz" (2009) und bei dem Historiendrama "Nacht über Berlin" (2013, TV). Insgesamt drehten die beiden elf gemeinsame Filme und Serienfolgen.

Eine sechsfache Zusammenarbeit (zwischen 2002 und 2006) verbindet Heim mit dem Regisseur Markus Imboden. Unter anderem fotografierte Heim Imbodens Dramen "Ein Dorf sucht seinen Mörder" (2002, TV) und "Schattenlinie" (2003, TV) sowie die mit den Terroranschlägen von 9/11 verknüpfte Freundschaftsgeschichte "Auf ewig und einen Tag" (2006).

Neben solchen eher düsteren Geschichten zeigte Jo Heim bei Erfolgskomödien wie "Suche impotenten Mann fürs Leben" (2003), dass er sich auch auf Bildgestaltung heller und freundlicher Stoffe versteht. Für "7 Zwerge – Männer allein im Wald" (2004) wurde er für den Deutschen Kamerapreis nominiert. Drei weitere Nominierungen folgten für den Thriller "Mörderische Erpressung" (2006, Regie: Markus Imboden), den Mafia-Dreiteiler "Die Patin – Kein Weg zurück" (2008) und das Historiendrama "Die Hebamme – Auf Leben und Tod" (2010). Für letzteren Film erhielt er zudem einen Grimme-Preis.

Sehr erfolgreich war auch die Zusammenarbeit mit Simon Verhoeven, die bei dessen Regiedebüt, der Coming-of-Age-Freundschaftsgeschichte "100 Pro" (2001), begann. Acht Jahre später stand Heim bei Verhoevens zweitem Film "Männerherzen" (2009) hinter der Kamera – und zeichnete auch danach bei allen Filmen des Regisseurs für die Bildgestaltung verantwortlich. Für Verhoevens atmosphärischen Horrorthriller "Unfriend" (2015) und Germán Krals Dokudrama "Ein letzter Tango" (2015) gewann Heim 2016 den Bayerischen Filmpreis. 

Neben Kino und Fernsehen drehte Jo Heim immer wieder auch Werbespots, etwa für Rewe und Hanuta; auch hier arbeitete er häufig mit Simon Verhoeven zusammen. Für den amerikanischen Regisseur Oliver Stone fungierte er als Chefkameramann des 2. Stabs bei dem Politthriller "Snowden" (US/DE 2016) und bei der vierteiligen TV-Dokumentation "The Putin Interviews" (US 2017). 

Große kommerzielle Erfolge waren Verhoevens preisgekrönte Komödie "Willkommen bei den Hartmanns" (2016) und Sönke Wortmanns kammerspielartige Satire "Der Vorname" (2018). Dazwischen wurde Jo Heim beim Deutschen Kamerapreis 2017 mit dem Ehrenpreis ausgezeichnet: Heim, so die Jury, beherrsche alle Genres virtuos, vom Thriller über die Komödie bis hin zum Musik- oder Dokumentarfilm. Mit einer ebenso unglaublichen Vielfalt in der Gestaltung gebe er "den Geschichten seiner Filme Raum für die Fantasie ihrer Betrachter".

Als nächstes drehte er die Action-Liebeskomödie "Nightlife" (2020), erneut mit Simon Verhoeven als Regisseur, und erneut ein großer Kassenerfolg.