Narodila se New Yorku do rodiny Karstena Johanssona a Melanie Sloan. Má starší sestru Vanessu, která se také věnuje herectví, staršího bratra Adriana, dvojče Huntera a staršího nevlastního bratra Christiana z otcova prvního manželství. Má dánské, židovské, polské a ruské předky.

V roce 2002 odmaturovala na Professional Children's School na Manhattanu.

S herectvím začala v průběhu svého dětství, když ji její matka, producentka, začala brát na konkurzy. V devíti letech debutovala ve filmu Všude dobře, doma nejlíp. Následovaly role ve snímcích Vražedné alibi (1995), Ztraceni na Manhattanu (1996) a Manny & Lo (1996). Za roli Amandy ve filmu Manny & Lo byla nominována na Independent Spirit Award v kategorii Nejlepší herečka v hlavní roli. V roce 1997 si zahrála ve filmech Milostné vzplanutí a Sám doma 3. Průlom v její kariéře nastal v roce 1998 účinkováním ve snímku Zaříkávač koní režiséra Roberta Redforda. V roce 1999 se objevila ve filmu Můj brácha čuník a o tři roky později ve snímku Muž, který nebyl.

V roce 2003 přestala hrát teenagerovské role a objevila se po boku Billa Murraho ve filmu Ztraceno v překladu. Za svůj výkon získala cenu BAFTA a nominaci na Zlatý glóbus. V 18 letech si zahrála Griet ve filmu Dívka s perlou, za což byla nominována na Zlatý glóbus v kategorii Nejlepší herečka v dramatickém filmu a na cenu BAFTA v kategorii Nejlepší herečka v hlavní roli. V roce 2004 propůjčila svůj hlas postavě v animovaném snímku Spongebob v kalhotách: Film a za výkon v roli ve filmu Píseň lásky samotářky získala svoji třetí nominaci na Zlatý glóbus.

V červenci 2005 si zahrála po boku Ewana McGregora ve sci-fi filmu Ostrov a po boku Jonathana Rhys Meyerse ve filmu Match Point – Hra osudu. Za roli ve Hře osudu získala další nominaci na Zlatý glóbus. V roce 2007 se představila s Laurou Linney ve filmu Holka na hlídání.

V roce 2008 se objevila ve snímku Králova přízeň, který získal smíšené reakce kritiky, a také ve filmu Vicky Cristina Barcelona, který byl natočen ve Španělsku a kde hráli i Javier Bardem a Penélope Cruz. V roli Anny se následujícího roku objevila ve hvězdně obsazeném filmu Až tak moc tě nežere, postavu Kelly si další rok zahrála v úspěšném snímku Koupili jsme ZOO. V roce 2010 se filmu Iron Man 2 poprvé představila v roli Nataši Romanovové, kterou si zopakovala roku 2012 ve snímku Avengers. Na začátku roku 2012 byla obsazena do životopisného filmu Hitchcock.

Dne 2. května 2012 získala hvězdu na Hollywoodském chodníku slávy. V roce 2012 si také zahrála v režisérském debutu Josepha Gordon-Levitta Don Jon, který měl premiéru na filmovém festivalu Sundance. V dalších letech se znovu představila jako Nataša Romanovová, tentokrát ve snímcích Captain America: Návrat prvního Avengera (2014), Avengers: Age of Ultron (2015) a Captain America: Občanská válka (2016).

V roce 2014 byla oceněna čestným Césarem.