ג'והנסון (בהגייה דנית "יוהנסון") נולדה בניו יורק.
היא למדה משחק בבית הספר לי סטרסברג לאמנויות הבמה בניו יורק, אך למעשה את הקריירה המקצועית התחילה בלוס אנג'לס, שם שיחקה ב-1992 במחזה "סופיזם" (Sophistry), יחד עם השחקן איתן הוק.
את תפקידה הראשון בקולנוע קיבלה בסרט "הורים בהזמנה" (North), לצידו של ברוס ויליס. לאחר מכן השתתפה במספר סרטים קטנים. את פריצת הדרך הגדולה עשתה אחרי שהשתתפה בסרט Manny & Lo ב-1996 וזכתה בפרס השחקנית הטובה בסרט עצמאי - ה(אינדפנדנט ספיריט). שנתיים לאחר מכן כיכבה ב"הלוחש לסוסים" (The Horse Whisperer) של רוברט רדפורד ושם כבר זכתה להכרה ברחבי העולם.
בשנת ב2001 היא השתתפה בסרט "העולם שבפנים", סרט שזכה להצלחה ברחבי העולם. במהלך העשור היא השתתפה בסרטים רבים של יוצרים חשובים - " אבודים בטוקיו", 2002, "נערה עם עגיל פנינה", 2002, "האיי" 2005, ובאותה השנה כיכבה בסרטו של וודי אלן, "נקודת מפגש.
מאז הספיקה ג'והנסון לקחת חלק בעשרות סרטים ולגלם שלל תפקידים, בין היתר היא משתתפת מאז 2010 בסרטי מארוול בתור הגיבורה "אלמנה שחורה".
בנוסף להיותה שחקנית מצליחה, היא נחשבת לזמרת מוצלחת, ואף הוציאה ב2008 אלבום קאברים לשיריו של טום וויטס.
ב2008 נישאה בקנדה לשחקן ריאן ריינולדס, אך הקשר נגמר בגירושים שנתיים לאחר מכן. ב-2011, החלה ג'והנסון לצאת עם השחקן שון פן, ובאוגוסט 2013 התארסה לעיתונאי רומאיין דואריק, בספטמבר 2014 נולדה להם בת.
