Né et élevé dans la banlieue de Spokane, Tyler Johnson a appris à patiner très tôt grâce à sa mère qui était entraîneure de patinage. Il a percé dans la WHL avec les Chiefs de Spokane : champion de la ligue en 2008 et vainqueur de la Coupe Memorial la même année, il a été un élément central des séries dès ses débuts et nommé joueur par excellence des séries à 17 ans. Sa dernière saison junior fut explosive, avec plus de 100 points et un total de 53 buts en 2010–11, des performances qui l'ont placé parmi les meilleurs marqueurs de la ligue et lui ont valu plusieurs distinctions dans les sondages régionaux.
Non repêché en raison de son gabarit jugé modeste, Johnson a toutefois signé un contrat d'entrée de trois saisons avec le Lightning de Tampa Bay en mars 2011. Il a d'abord fait ses armes dans la LAH avec Norfolk, contribuant à la longue série victorieuse et au titre de la Coupe Calder en 2012, puis enchaîné les saisons de haut niveau avec les Crunch de Syracuse, où il a mené la LAH au chapitre des buts et reçu le titre de joueur le plus utile de la ligue. Appelé à Tampa Bay en mars 2013, il a inscrit son premier but dans sa deuxième rencontre en LNH.
Dans la LNH, Johnson s'est imposé rapidement : 50 points en 2013–14 et une place dans l'équipe des recrues ; l'exercice suivant il a franchi un palier avec 72 points, jouant sur la fameuse troisième ligne surnommée « The Triplets » aux côtés de Nikita Kucherov et Ondřej Palát et obtenant une sélection au Match des étoiles. Les séries de 2015 l'ont vu établir plusieurs marques d'équipe, dont des séries à plusieurs buts et un sommet de 13 buts sur ces séries, malgré une blessure au poignet pendant la finale.
Johnson a continué d'augmenter ses totaux et de grimper dans les tableaux historiques du Lightning, franchissant plusieurs positions dans les classements de buts et de points. Il a célébré la Coupe Stanley avec Tampa Bay en 2020 puis en 2021. En juillet 2021, il a été transféré aux Blackhawks dans une transaction impliquant un choix et le contrat de Brent Seabrook ; les saisons suivantes ont été freinées par des blessures et un temps de jeu réduit.
Après un essai professionnel avec Boston en 2024 suivi d'un contrat d'une saison, puis d'une mise en attente administrative et d'une courte période de neuf matchs (deux aides), Johnson est redevenu joueur autonome et a annoncé sa retraite le 7 juillet 2025. Sur la scène internationale, il a remporté l'or avec les États-Unis au Championnat mondial junior 2010, marquant trois buts et cinq points, et a été choisi joueur du match contre le Canada ; il a aussi fait ses débuts avec l'équipe senior en mai 2014, marquant deux buts contre l'Allemagne. Son jeu se caractérise par une rapidité soutenue, un sens du but et une capacité à produire dans les moments importants.