Taylor-Johnson ha iniziato a recitare all’età di sei anni. Sul palco, è apparso in una produzione londinese di Macbeth di Shakespeare, interpretando il figlio di Macduff al fianco di Rufus Sewell, che ha interpretato Macbeth, nel 1999. È apparso in All My Sons di Arthur Miller nel 2000. I suoi ruoli televisivi hanno incluso Niker nell’adattamento BBC del 2004 del romanzo Feather Boy, Aaron nel serial Talk to Me di Danny Brocklehurst e Owen Stephens in Almost Famous. Nel 2003, Taylor-Johnson è apparso come un giovane Charlie Chaplin in Shanghai Knights, con Chaplin raffigurato come un membro di una banda di teppisti di strada di Londra. Nel 2006, è apparso in The Illusionist, apparendo nelle prime scene di flashback come personaggio di Edward Norton, Eduard Abramovicz, da adolescente. Le scene mostrano il giovane Eduard mentre impara per la prima volta la magia, e per fare questo, Johnson ha dovuto imparare come eseguire il trucco della palla visualizzato dal suo personaggio. Ha imparato a eseguire il bilanciamento dell’uovo sul bastone, anche se questo è stato effettuato meccanicamente. Sempre nel 2006, ha recitato nel film The Thief Lord, come Prosper.

Taylor-Johnson al 2013 San Diego Comic-Con la promozione di Godzilla

Taylor-Johnson è apparso come John Lennon nel 2009 biografico film Nowhere Boy, diretto da Sam Taylor-Wood. La sua performance lo ha visto ricevere l’Empire Award per il miglior nuovo arrivato ed è stato anche nominato come giovane interprete britannico dell’anno dal London Film Critics’ Circle. Nel 2010, Taylor-Johnson è apparso come David “Dave” Lizewski / Kick-Ass, il personaggio principale di Kick-Ass, basato sull’omonimo fumetto di supereroi dello scrittore scozzese Mark Millar. La sua performance in Kick-Ass lo ha visto nominato per il BAFTA Rising Star Award. Egli è anche apparso come il personaggio centrale, William, nella chat di Hideo Nakata. Nel dicembre 2010, Taylor-Johnson si è unito al cast di Albert Nobbs come sostituto di Orlando Bloom, che ha abbandonato la produzione a causa della gravidanza di sua moglie. Taylor-Johnson ha recitato in R. E. M.’s 2011 video musicale “Überlin”, che è stato anche diretto dalla sua allora fidanzata.

Nel 2012, Taylor-Johnson ha interpretato il conte Vronsky in Anna Karenina. Più tardi quell’anno, ha recitato come Ben in Selvaggi di Oliver Stone. Il critico cinematografico di HitFix Drew McWeeny è stato positivo del legame tra Johnson e la co-star Taylor Kitsch, che “sembra non solo credibile, ma vissuto e autentico per tutto il film”, e ha notato l’evoluzione nella maturità di Johnson da Kick-Ass. Taylor-Johnson ha recitato nel reboot di Godzilla, pubblicato a maggio 2014. Taylor-Johnson ha giocato Quicksilver in Avengers: Age of Ultron (2015), il sequel di The Avengers del 2012. Taylor-Johnson è apparso per la prima volta come personaggio in una scena post-crediti del film Captain America: The Winter Soldier. Il ruolo lo ha riunito con Elizabeth Olsen, che ha interpretato sua moglie in Godzilla.

Nel 2016 interpreta Ray, un texano minaccioso, nel thriller Nocturnal Animals di Tom Ford. Per il ruolo, ha vinto il Golden Globe come miglior attore non protagonista-Film. Taylor-Johnson è diventato anche il primo Golden Globe per il miglior attore non protagonista vincitore dal Richard Benjamin che non ha ricevuto una nomination agli Oscar. Per il ruolo ha anche ricevuto una nomination per il premio BAFTA come miglior attore in un ruolo di supporto. Nel 2017, ha interpretato un soldato americano (al fianco di John Cena) nel thriller di Doug Liman The Wall, e nel 2018, è apparso in Outlaw King, un dramma d’azione storico britannico-americano su Robert the Bruce e le guerre di indipendenza scozzese. Nel maggio 2019, Taylor-Johnson è stato lanciato nel principio di Christopher Nolan.

Taylor-Johnson sarà protagonista della produzione del West End della commedia The Pillowman di Martin McDonagh al Duke of York’s Theatre, che è prevista per il 2021. È anche destinato a far parte del cast di Bullet Train, un film basato sul romanzo Mariabītoru di Kōtarō Isaka. Nel marzo 2021, Taylor-Johnson ha firmato come co-protagonista e produttore del film drammatico biografico Rothko, diretto da sua moglie, Sam Taylor-Johnson.