Buolamwini ha studiato informatica presso il Georgia Institute of Technology, specializzandosi in informatica sanitaria.[7]. Si è laureata alla Georgia Tech nel 2012[8], ed è stata la più giovane finalista del premio Georgia Tech InVenture nel 2009[6].
Nel 2011, ha collaborato con il programma Trachoma presso il Carter Center, con lo scopo di aiutare l'eradicazione del tracoma in tutto il mondo e di creare un sistema di valutazione basato su Android per l'Etiopia[3][11].
Con il supporto della borsa di studio Fulbright, nel 2013 Buolamwini ha lavorato con scienziati informatici locali in Zambia per aiutare i giovani dello Zambia a diventare dei creatori di tecnologia. Il 14 settembre 2016 Buolamwini è apparsa al vertice della Casa Bianca dedicato all'Informatica per tutti (Computer Science for All)[12].
È ricercatrice presso il Media Lab del MIT, dove identifica i pregiudizi negli algoritmi e sviluppa pratiche per assicurare la responsabilità durante la loro progettazione[13]; Buolamwini fa parte del gruppo Center for Civic Media di Ethan Zuckerman[14][15]. Durante la sua ricerca, Buolamwini ha sottoposto 1000 volti ad alcuni sistemi di riconoscimento facciale e ha chiesto loro di identificare se i volti fossero di maschi o femmine, scoprendo che il software aveva difficoltà ad identificare le donne dalla pelle scura[16][17]. Il suo progetto, Gender Shades, ha attirato una significativa attenzione da parte dei media ed è diventato parte della sua tesi del MIT.[18][19][20][21][22][23][24][25]. Il suo articolo Gender Shades: Intersectional Accuracy Disparities in Commercial Gender Classification, ha motivato aziende come IBM e Microsoft a migliorare il loro software.[26][27] Buolamwini ha creato l'Aspire Mirror, un dispositivo che consente di vedere un riflesso di te stessa in base a ciò che ti ispira.[28] Il suo programma, Algorithmic Justice League, ha lo scopo di identificare ed evidenziare pregiudizi nel codice che possono portare alla discriminazione contro i gruppi sotto-rappresentati[29]. Buolamwini ha creato due film, "Code4Rights" e "Algorithmic Justice League: Unmasking Bias"[30][31]. È Chief Technology Officer di Techturized Inc, una società di tecnologia per la cura dei capelli[7].
La ricerca di Buolamwini è stata citata come un'importante influenza da Google e Microsoft nel loro lavoro di mitigazione e prevenzione dei pregiudizi basati su genere e razza nei loro prodotti e processi[32].
Nel 2017, Buolamwini ha ricevuto il primo premio nella categoria professionale nel concorso Search for Hidden Figures, legato all'uscita del film Hidden Figures nel dicembre 2016[33]. Il concorso, sponsorizzato da PepsiCo e 21st Century Fox, aveva lo scopo di "aiutare a scoprire la prossima generazione di donne leader nel campo della scienza, della tecnologia, dell'ingegneria e della matematica"[34] e ha attirato 7 300 proposte di giovani donne negli Stati Uniti[8].
Buolamwini ha partecipato a TEDx Beacon Street con una presentazione intitolata Come sto combattendo il pregiudizio negli algoritmi[35][36]. Nel 2018 è apparsa su TED Radio Hour[37]. È stata protagonista di Smart Girls di Amy Poehler nel 2018[1]. La rivista Fast Company l'ha elencata come una dei quattro "eroi del design che stanno difendendo la democrazia online"[38]. È stata elencata tra le 100 donne della BBC nel 2018[39]. Nel 2018 è stata inserita tra le "Top 50 Women In Tech" d'America da Forbes[40].
Nel 2019, Buolamwini è stata elencata tra i grandi leader del mondo (World's Greatest Leaders) dalla rivista Fortune. La rivista l'ha definita "la coscienza della rivoluzione dell'IA"[41]. Buolamwini fa parte della lista Time 100 Next del 2019[42]. Nel 2020, Joy Buolamwini ha partecipato a una campagna di emancipazione della donna di Levi's per l'8 marzo, giornata internazionale della donna[43].