1984 yılında New York City'de doğdu. Babası Karsten Johansson Danimarkalı bir mimar, dedesi Ejner Johansson ise senaryo yazarı ve yönetmendi. Annesi Melanie Sloan ise Yahudi kökenli bir yapımcıdır. Vanessa, Adrian ve ondan üç dakika sonra doğan Hunter adında kardeşleri vardır.

Film kariyerine 1994 yılı yapımı North filmi ile başladı. O yıllarda Home Alone 3 , Little Girl, Manny & Lo gibi filmlerde oynadı. 1998'de Robert Redford'un The Horse Whisperer filminde dikkat çekmeye başladı. 2001'de Ghost World ve 2003'te Lost in Translation filmleriyle yetişkin rollerine geçiş yapmaya başladı. 2005'te Woody Allen'ın Maç Sayısı filminde oynadı. 2006'da Christopher Nolan'ın Prestij filminde Olivia, 2008'de The Other Boleyn Girl'de Mary rollerini aldı. Iron Man 2 ile başlayan bir dizi Marvel filminde Natasha Romanoff / Kara Dul karakterine hayat verdi. 2013'te ise Spike Jonze'un beğenilen filmi Aşk'ta (Her) gelişmiş bir işletim sistemi olan Samantha'yı seslendirdi. 2014'te Lucy, 2017'de Kabuktaki Hayalet (Ghost in the Shell) filmlerindeki başrolleriyle aksiyon filmlerindeki başarısını sürdürdü.

2008-2011 yılları arasında Kanadalı aktör Ryan Reynolds'la evli kaldı. 2014'le 2017 arasında ikinci evliliğini yaptığı Fransız gazeteci Romain Dauriac ile birlikteliğinden 2014 doğumlu Rose Dorothy Dauriac adında bir kızı bulunmaktadır.