Apja a Dániában született Karsten Johansson építész, anyja lengyel emigráns családból származó Melanie Sloan színésznő. Johansonnak van egy ikertestvére, Hunter, akinél 3 perccel idősebb, valamint még 3 testvére, Christian, Vanessa és Adrian. Scarlett már gyermekkorában színésznőnek készült. 8 évesen (1992) szerepelt először a tévében a Late Night with Conan O’Brian első évadjában, majd 2 évvel később egy off-Broadway produkcióban, a Sophistry-ben Ethan Hawke oldalán. A manhattani Professional Children's Schoolba íratták be, 13 éves korában (1997) szülei elváltak, ezért ingázni kezdett, az anyukája és a gyerekek Los Angelesbe költöztek, az apukája viszont New Yorkban maradt. Édesanyjával gyakran elkísérte a szereplőválogatásokra, első filmszerepét a Világgá mentem-ben kapta. Első komolyabb alakítását két évvel később a Manny and Lo című drámában nyújtotta, alakítását a legjobb női főszereplő kategóriában Independent Spirit Awardra jelölték.

A filmesek akkor figyeltek fel rá igazán, amikor Robert Redford mellett egy sérült kamaszlányt játszott A suttogóban. Ezután sorra érkeztek hozzá a forgatókönyvek. A suttogó-ban elsőfilmesként tüntettek fel a stáblistán, holott ez már a hetedik nagyjátékfilmje volt.

2000-ben forgatta a Tétova tinédzsereket, amely egy népszerű képregényén alapult, és két különc tinédzser viszontagságait mesélte el. Ezután a A férfi, aki ott sem volt című filmben szerepelt, majd Gárdos Évával Budapestre utazott, itt forgatták az Amerikai rapszódia magyar fővárosban játszódó jeleneteit. A mű Gárdos élettörténetéről szól, Johansson az elsőfilmes rendezőnő kamaszkori énjét játszotta, amiért a legjobb fiatal művésznek járó díjjal jutalmazták.

Ezután a Mérges pókok című horror következett, majd Sofia Coppola ajánlatot tett neki, hogy játssza el az Elveszett jelentés című filmjének női főszerepét. A filmet Japánban forgatták, Scarlett filmbeli partnere Bill Murray volt. Az Elveszett jelentés sikert aratott a kritikusok körében. A film 2004-ben három Golden Globe-díjat nyert, négyszeres Oscar-jelölt volt, melyből Sofia Coppola a legjobb eredeti forgatókönyvéért megkapta az aranyszobrot, Scarlett pedig elnyerte a legjobb színésznőnek járó BAFTA-díjat.

A Leány gyöngy fülbevalóval női főszerepét eredetileg Kate Hudson játszotta volna, ám terhessége miatt át kellett adnia a feladatot Johanssonnak. A film 1665-ben játszódik a hollandiai Delftben, Scarlett a 17 éves Grietet alakítja, akinek dolgoznia kell, hogy eltartsa a családját, cseléd lesz Johannes Vermeer festőművész családjánál, ahol lassan felkelti a művész érdeklődését. A szerepért Golden-Globe-jelölést kapott.

A Halálbiztos vizsga című krimi-vígjátékban a hat végzős középiskolás egyikét alakította, ezután az A sziget című filmben Jordan 2-Deltát játszotta, aki a világtól elzárt helyen lakik. Sok emberhez hasonlóan abban reménykedik, hogy egyszer kisorsolják, és elutazhat a Szigetre - amely a Föld utolsó, fertőzéstől mentes helye. De kiderül, hogy az egész hazugság, mert Jordan és a többiek is klónok, akiknek mindössze az a feladata, hogy szükség esetén szerveket biztosítsanak az eredeti embernek, akik fizettek ezért. Scarlett partnere a filmben Ewan McGregor.

Scarlett egyre nagyobb rendező-sztárokkal forgat. Brian De Palmával készítette A Fekete Dália című produkciót. A 40-es években játszódó krimiben Scarlett egy gyilkossági nyomozó barátnőjét játssza, a bűnüldözőt Josh Hartnett alakítja. Johanson Woody Allennel is forgatott filmeket, két krimibe hajló szerelmi történetet, a Fülest és a Match Pointot. 2008 májusában Cannes-ban mutatták be legújabb filmjét, a Vicky Cristina Barcelonát.

Más híres rendezők filmjeiben is feltűnt, így Robert Pulcini, Shari Springer Berman vígjátékában is, az Egy bébiszitter naplójában. Justin Chadwick kosztümös középkori darabjában szerepeltette, A másik Boleyn lányban, amely VIII. Henrik tragikus sorsú feleségének, Anna testvérének, Marynek az életét eleveníti meg.