Taylor-Johnson begann im Alter von sechs Jahren mit der Schauspielerei. Auf der Bühne trat er 1999 in einer Londoner Produktion von Shakespeares Macbeth auf und spielte den Sohn von Macduff neben Rufus Sewell, der Macbeth spielte. Er erschien 2000 in Arthur Millers All My Sons. Zu seinen Fernsehrollen gehörten Niker in der BBC-Adaption des Romans Feather Boy von 2004, Aaron in Danny Brocklehursts ITV1-Serie Talk to Me und Owen Stephens in Almost Famous. Im Jahr 2003 erschien Taylor-Johnson als junger Charlie Chaplin in Shanghai Knights, mit Chaplin als Mitglied einer Londoner Bande von Straßenschlägern dargestellt. Im Jahr 2006 erschien er in The Illusionist, in den frühen Flashback-Szenen als Edward Nortons Charakter, Eduard Abramovicz, als Teenager. Die Szenen zeigen den jungen Eduard, wie er zum ersten Mal Magie lernt, und dazu musste Johnson lernen, wie man den von seinem Charakter gezeigten Balltrick ausführt. Er lernte, wie man das Ausbalancieren des Eies auf dem Stock durchführt, obwohl dies mechanisch erfolgte. Ebenfalls 2006 spielte er in dem Film The Thief Lord als Prosper.

Taylor-Johnson bei der 2013 San Diego Comic-Con Förderung Godzilla

Taylor-Johnson erschien als John Lennon in der 2009 biographischen Film Nowhere Boy, unter der Regie von Sam Taylor-Wood. Für seine Leistung erhielt er den Empire Award als bester Newcomer und wurde vom London Film Critics ‚Circle als Young British Performer of the Year nominiert. Im Jahr 2010 erschien Taylor-Johnson als David „Dave“ Lizewski / Kick-Ass, die Hauptfigur in Kick-Ass, basierend auf dem gleichnamigen Superhelden-Comic des schottischen Schriftstellers Mark Millar. Seine Leistung in Kick-Ass sah ihn für den BAFTA Rising Star Award nominiert. Er ist auch als zentraler Charakter aufgetreten, William, in Hideo Nakatas Chatroom. Im Dezember 2010 trat Taylor-Johnson der Besetzung von Albert Nobbs als Ersatz für Orlando Bloom bei, der aufgrund der Schwangerschaft seiner Frau aus der Produktion ausschied. Taylor-Johnson spielte in R.E.M.2011 entstand das Musikvideo „Überlin“, bei dem auch seine damalige Verlobte Regie führte.

Im Jahr 2012 spielte Taylor-Johnson Graf Wronski in Anna Karenina. Später in diesem Jahr spielte er als Ben in Oliver Stones Savages. HitFix Filmkritiker Drew McWeeny war positiv von der Bindung zwischen Johnson und Co-Star Taylor Kitsch, die „scheint nicht nur glaubwürdig, sondern lebte in und authentisch im ganzen Film“, und stellte fest, die Entwicklung in der Reife von Johnson seit Kick-Ass. Taylor-Johnson spielte in dem Godzilla-Neustart, der im Mai 2014 veröffentlicht wurde. Taylor-Johnson spielte Quicksilver in Avengers: Age of Ultron (2015), die Fortsetzung von The Avengers aus dem Jahr 2012. Taylor-Johnson erschien zuerst als Charakter in einer Post-Credits-Szene des Films Captain America: Der Wintersoldat. Die Rolle brachte ihn wieder mit Elizabeth Olsen zusammen, die seine Frau in Godzilla spielte.

2016 spielte er Ray, einen bedrohlichen Texaner, in Tom Fords Thriller Nocturnal Animals. Für die Rolle gewann er den Golden Globe Award als bester Nebendarsteller – Film. Taylor-Johnson wurde auch der erste Golden Globe Award für den besten Nebendarsteller seit Richard Benjamin, der keine Oscar-Nominierung erhielt. Für die Rolle erhielt er auch eine Nominierung für den BAFTA Award als bester Schauspieler in einer Nebenrolle. 2017 spielte er einen amerikanischen Soldaten (neben John Cena) in Doug Limans Thriller The Wall und 2018 trat er in Outlaw King auf, einem britisch-amerikanischen historischen Actiondrama über Robert the Bruce und die schottischen Unabhängigkeitskriege. Im Mai 2019 wurde Taylor-Johnson in Christopher Nolans Tenet besetzt.Taylor-Johnson wird in der West End-Produktion des Stücks The Pillowman von Martin McDonagh am Duke of York Theatre zu sehen sein, die 2021 stattfinden soll. Er wird auch dem Ensemble von Bullet Train beitreten, einem Film, der auf dem Roman Mariabītoru von Kōtarō Isaka basiert. Im März 2021 unterschrieb Taylor-Johnson als Co-Star und Produzent des biografischen Dramas Rothko unter der Regie seiner Frau Sam Taylor-Johnson.