Scarlett Ingrid Johansson est née le 22 novembre 1984 à New York dans le quartier de Manhattan, avec son frère jumeau Hunter. Son père, Karsten Olaf Johansson, est un architecte originaire de Copenhague, au Danemark, et son grand-père paternel, Ejner Johansson, était historien, scénariste et réalisateur, dont le père était suédois. Sa mère, Melanie Sloan, est une productrice new-yorkaise issue d'une famille juive ashkénaze d'origine polonaise du Bronx. Les parents de Scarlett se sont rencontrés au Danemark alors que sa mère vivait encore chez la grand-mère maternelle de Scarlett, Dorothy, qui fut bibliothécaire et enseignante.

Une partie de sa famille, notamment le frère de son grand-père maternel, est morte dans le Ghetto de Varsovie.

Outre son jumeau Hunter, acteur, Scarlett Johansson a une sœur plus âgée, Vanessa, également actrice, un frère plus âgé, Adrian, et un demi-frère, Christian, né du second mariage de son père. Elle possède les nationalités américaine et danoise.

Scarlett Johansson grandit avec « peu d'argent » et une mère « cinéphile ».

Scarlett fréquentait l'école primaire PS 41, située à Greenwich Village, à Manhattan. Ses parents ont divorcé alors qu'elle avait treize ans. Scarlett était particulièrement proche de sa grand-mère maternelle, Dorothy Sloan, qui était comptable et professeur des écoles. Elles passaient souvent du temps ensemble, et Scarlett la considérait comme sa meilleure amie.

Intéressée depuis son plus jeune âge par une carrière sous les projecteurs, elle donnait souvent des spectacles de danse et de chant pour sa famille. Elle aimait particulièrement les comédies musicales et le jazz hands (type de danse dans laquelle les bras sont tendus, les paumes orientées vers le public et les doigts écartés). Elle a pris des cours de claquettes, et affirme que ses parents l'ont toujours soutenue dans ses choix de carrière. Elle décrit son enfance et sa famille comme ordinaires.

Pendant son enfance, Scarlett s'entraînait à jouer en restant devant le miroir jusqu'à ce qu'elle pleure, elle voulait être Judy Garland dans Le Chant du Missouri. À l'âge de sept ans, elle fut anéantie quand son frère fut remarqué par un agent et signa un contrat à sa place, mais elle décida plus tard de devenir actrice malgré tout. Elle s'inscrit au Lee Strasberg Theatre and Film Institute, et commence à auditionner pour des campagnes publicitaires, mais s'en désintéresse assez rapidement : « Je ne voulais pas promouvoir Wonder Bread. » Elle se concentre sur le cinéma et le théâtre, et se produit pour la première fois sur scène dans la pièce Off-Broadway Sophistry avec Ethan Hawke, pièce dans laquelle elle a deux répliques. C'est à peu près à ce moment-là qu'elle commence à étudier à la Professional Children's School, une institution privée pour les enfants acteurs prometteurs de Manhattan. À neuf ans, Scarlett fit sa première apparition au cinéma dans le rôle de la fille de John Ritter dans la comédie fantastique L'Irrésistible North. Elle dit que lorsqu'elle était sur le plateau de tournage, elle savait intuitivement ce qu'il fallait faire. Johansson obtient par la suite des rôles secondaires, par exemple en jouant la fille des personnages de Sean Connery et Kate Capshaw dans le thriller Juste Cause, ou alors dans le rôle d'une étudiante en art dans If Lucy Fell.

Actrice la plus rentable de tous les temps, Johansson fait ses débuts au cinéma dans la comédie fantastique North.

Révélée à l'âge de quatorze ans, grâce à sa prestation dans L'Homme qui murmurait à l'oreille des chevaux de Robert Redford, elle tient les rôles principaux de plusieurs films indépendants acclamés par la critique : Ghost World, Lost in Translation et La Jeune Fille à la perle . Ces deux derniers longs-métrages lui valent le BAFTA de la meilleure actrice (pour Lost in Translation) et deux nominations aux Golden Globes. Par la suite, elle tourne à trois reprises avec Woody Allen, dans le thriller Match Point, la comédie Scoop  et Vicky Cristina Barcelona. Parallèlement, elle se diversifie en jouant dans le blockbuster The Island, le thriller historique Deux Sœurs pour un roi  ou encore la comédie romantique Ce que pensent les hommes.

À partir de 2010 avec son apparition dans le film Iron Man 2, Scarlett Johansson devient un pilier de l'Univers cinématographique Marvel, dans lequel elle incarne Natasha Romanoff, la Veuve noire, et fait partie des six Avengers originaux dans les quatre films qui leur sont consacrés. Elle incarne le rôle principal dans Black Widow, film centré sur son personnage sorti en 2021.

Elle revient à des rôles plus complexes, en interprétant Janet Leigh dans le biopic Hitchcock ou Laura dans Under the Skin, elle s'impose surtout comme une tête d'affiche de blockbusters d'action en portant Lucy  puis Ghost in the Shell. En 2020, elle est doublement nommée pour la première fois aux Oscars grâce aux films Marriage Story et Jojo Rabbit. Elle est en 2018 et en 2019 l'actrice la mieux payée au monde, ainsi que l'interprète féminine cumulant le plus de recettes dans l'histoire du box-office mondial, ses films ayant rapporté plus de quatorze milliards de dollars, ces résultats étant en partie liés à son rôle de la Veuve noire dans des films au grand succès comme Avengers: Endgame. Time l’a également nommée l’une des 100 personnes les plus influentes au monde en 2021.

Elle a reçu de nombreuses distinctions, dont un British Academy Film Award, un Tony Award et des nominations pour deux Oscars et cinq Golden Globe Awards.

En 2005, Scarlett Johansson fut envisagée pour le rôle de Maria dans l'adaptation au théâtre de La Mélodie du bonheur, mais le rôle fut finalement confié à Connie Fisher après que celle-ci a gagné un concours de jeunes talents de la BBC, « How Do You Solve a Problem Like Maria? ».

Le 6 mai 2006 sort Unexpected Dreams – Songs from the Stars, un album à but non lucratif regroupant plusieurs titres chantés par des acteurs renommés ; Johansson y contribua avec une reprise de Summertime. Elle a chanté en avril 2007 avec le groupe The Jesus and Mary Chain en Californie.

Elle joue en 2006 dans un court métrage de Bennett Miller dont la bande originale est When the Deal Goes Down de Bob Dylan, pour promouvoir le dernier album de ce dernier, Modern Times. Elle est aussi le personnage principal du clip vidéo de la chanson What Goes Around…/…Comes Around Interlude de Justin Timberlake, sélectionné en août 2007 pour le prix du meilleur clip musical aux MTV Video Music Awards.

Elle enregistre pendant l'été 2007 des reprises de Tom Waits à Maurice en Louisiane. L'album, intitulé Anywhere I Lay My Head, est une relecture de la musique de Waits et sort le 7 octobre 2007. Il est produit par David Sitek qui a fait appel à David Bowie pour les chœurs (ce dernier avait déjà collaboré avec Scarlett Johansson dans le film Le Prestige) ; on y entend aussi les Yeah Yeah Yeahs et Celebration. Le premier single extrait de l'album, Falling Down, s'accompagne d'un clip.

Scarlett Johansson est apparue le 7 janvier 2008 dans le vidéoclip Yes We Can aux côtés de Will.i.am, Nicole Scherzinger, John Legend, Thandiwe Newton et d'autres artistes pour soutenir le candidat à l'investiture démocrate pour l'élection présidentielle de novembre 2008, Barack Obama.

Début 2009, Scarlett Johansson enregistre une reprise du titre Last Goodbye de Jeff Buckley pour la bande originale du film Ce que pensent les hommes (He's Just Not That Into You).

Le 7 septembre 2009 paraît l'album Break Up enregistré en duo avec Pete Yorn en 2006 dont le single Relator connaît un certain succès. Le disque s'inspire des albums enregistrés dans les années 1960 par Serge Gainsbourg et Brigitte Bardot. En septembre 2011, est d'ailleurs sorti un duo avec Lulu Gainsbourg reprenant le tube Bonnie and Clyde.

En février 2015, Johansson annonce la création de son nouveau groupe « The Singles » dont le premier titre est Candy.

Scarlett Johansson tourne des publicités pour le parfum Eternity Moment de Calvin Klein et apparaît dans des affiches et pubs dans les magazines pour ce parfum. L'une des publicités est montrée dans son film The Island. Elle devient symbole et porte-parole de Louis Vuitton au début 2005 et est apparue dans trois de ses campagnes publicitaires (printemps 2005 et printemps et automne 2007). En janvier 2006, elle devient porte-parole de L'Oréal.

En juillet 2006, Reebok signe un accord avec elle pour créer des baskets « Scarlett 'Hearts' Rbk », mises en vente au printemps 2007.

En février 2009, elle devient l'égérie du champagne Moët & Chandon. Enfin, en 2009, elle s'associe aux cosmétiques Dolce & Gabbana pour leur parfum The One et pour leurs maquillages, ainsi qu'à l'enseigne de prêt-à-porter espagnole Mango.

En janvier 2014, elle devient l'ambassadrice de la multinationale israélienne Sodastream, et tourne dans le spot publicitaire de la marque au Super Bowl. Cette publicité suscite la polémique pour deux raisons : d'une part, l'actrice y critique directement les concurrents Pepsi et Coca-Cola. D'autre part, l'association Oxfam International (dont elle est alors ambassadrice) et les promoteurs de la campagne BDS reprochent à Johansson de négliger la présence d'une usine SodaStream dans une colonie israélienne. Scarlett Johansson démissionne du poste d'ambassadrice d'Oxfam International à la suite de ce conflit de valeurs.

Johansson aime le fromage, déclarant que son « plus grand vice est le fromage. Rien d'autre ne règne sur ma vie ». Elle critique les médias et Hollywood qui promeuvent les diktats de la beauté et causent chez les femmes l'envie de faire des régimes alimentaires mauvais pour la santé ainsi que des troubles des conduites alimentaires. Elle déclare que « être ultra-maigre n'est pas du tout sexy. Les femmes ne devraient pas se sentir obligées de se conformer aux images malsaines et irréalistes du corps humain diffusées par les médias ».

Concernant ses croyances religieuses, elle préfère ne pas en parler, mais elle indique mélanger un peu le christianisme et le judaïsme durant les fêtes de Noël et de Hanoucca. Elle admet ne pas apprécier les discours des célébrités remerciant Dieu ou Jésus. Elle s'est décrite en tant que Juive en parlant de Woody Allen : « J'adore Woody. Nous avons beaucoup en commun. Nous sommes tous les deux new-yorkais et Juifs. Nous avons une relation décontractée. »

Elle a affirmé avoir obtenu la note de 1 080 sur 1 600 au SAT lors de sa scolarité, note qu'elle-même qualifie de médiocre.

Scarlett Johansson n'a jamais caché ses opinions politiques progressistes et son adhésion à la gauche américaine. Elle est aussi membre du Parti démocrate et a milité pour l'élection de John Kerry lors de l'élection présidentielle de 2004. Elle dit avoir été déçue par le résultat de cette élection. Elle a aussi participé à la campagne anti-pauvreté menée par le chanteur Bono.

Elle a soutenu Barack Obama lors de l'élection présidentielle de 2008, notamment en apparaissant dans le clip Yes We Can du candidat démocrate en compagnie d'autres célébrités.

Lors de la campagne pour l'élection présidentielle américaine de 2016, elle participe à un clip encourageant les Américains à aller voter, initiative du PAC Save the Day, qui finance la campagne de la candidate démocrate Hillary Clinton.

Scarlett Johansson a eu de nombreux petits amis dans le monde du cinéma et des médias tels que le musicien Jack Antonoff (qui fait référence à Johansson dans sa chanson Better Love) ou encore Jared Leto.

Elle a fréquenté Josh Hartnett durant deux ans. Selon Hartnett, leurs emplois du temps trop chargés furent la raison de leur séparation.

En 2008, elle se marie avec le Canadien Ryan Reynolds. Les deux acteurs annoncent leur séparation en décembre 2010, après deux ans de mariage. Leur divorce est finalisé en juillet 2011.

En 2011, elle a une brève relation avec l'acteur Sean Penn, puis en 2012, avec Nate Naylor.

En novembre 2012, elle est en couple avec Romain Dauriac, de deux ans son aîné, ancien éditeur du magazine français Clark. Son agent a confirmé qu'elle s'est fiancée à Romain Dauriac en août 2013. Le 30 août 2014, Scarlett met au monde son premier enfant, une fille nommée Rose Dorothy Dauriac. Ils se marient le 1^er octobre 2014. En janvier 2017, une source au magazine People annonce que Scarlett Johansson et Romain Dauriac sont séparés depuis l'été 2016.