Im Alter von zwölf Jahren weckte die Beobachtung einer partiellen Sonnenfinsternis seine Begeisterung für den Kosmos. Doch Joel Metcalf entschied sich, Theologie zu studieren und Geistlicher zu werden.Trotz eines recht geringen Einkommens richtete er sich mit gebraucht gekauften Teleskopen eine beachtliche Privatsternwarte ein. Bei einem späteren Studienjahr an der Universität Oxford hörte er auch astronomische Vorlesungen und beschäftigte sich vor allem mit Fragen der Optik.
Zurück in den USA konstruierte Joel Metcalf eigene Teleskope, deren Linsen er selbst in höchster Präzision geschliffen hat. Er baute einige Instrumente für das Observatorium der Harvard-Universität, darunter ein photographisches Teleskop mit einem Objektivdurchmesser von 40 Zentimetern. Joel Metcalf hat 41 Kleinplaneten und sechs Kometen entdeckt. Wie sich herausstellte, war ein 1919 von ihm gefundener Komet bereits 70 Jahre zuvor vom Dänen Theodor Brorsen beobachtet worden. Der Komet heißt nun Brorsen-Metcalf. Im Sommer 1921 gelang ihm das Kunststück, innerhalb von zwei Nächten drei Kometen aufzuspüren. Mitten in der Arbeit für ein neues Harvard-Teleskop ist Joel Metcalf 1925 verstorben. Er wurde 59 Jahre alt