Năm 1941, ông tham gia Chương trình Học viên Hàng không của Quân đội Hoa Kỳ tại Căn cứ Không quân Luke. Ông tốt nghiệp vào mùa thu cùng năm, được nhận huy hiệu phi công và quân hàm Thiếu úy.[1][2]

Johnson sau đó được bổ nhiệm vào Phi đoàn Truy kích 57 thuộc Liên đoàn Truy kích 54 tại Everett, Washington, từ tháng 11 năm 1941 đến tháng 2 năm 1943 và cùng đơn vị điều động đến Alaska từ tháng 6 đến tháng 10 năm 1942, nơi ông lái chiếc Bell P-39 Airacobra và Curtiss P -40 Warhawk. Trong thời gian ở Alaska, Johnson đã thực hiện 58 phi vụ bay và báo cáo bắn hạ một máy bay Kawasaki Ki-61 bằng chiếc Airacobra vào ngày 23 tháng 7, nhưng không được xác nhận chính thức.[1][3]

Johnson được thuyên chuyển về Phi đoàn Tiêm kích 332, Liên đoàn Tiêm kích 329 ở Phi trường Không lực Lục quân Ontario, California trong một thời gian ngắn, từ tháng 2 đến tháng 4 năm 1943. Ông sau đó được đưa đến Úc, gia nhập Liên đoàn Tiêm kích 49 của Không lực 5, lúc đó đang vận hành máy bay Lockheed P-38 Lightning. Johnson đặt tên cho chiếc Lightning của ông là "Barbara", dựa theo tên của người vợ tương lai của ông, Barbara Hall. Ông đạt được hai chiến công được ghi nhận đầu tiên vào ngày 23 tháng 7 năm 1943 tại Thung lũng Markham, New Guinea, nơi ông bắn hạ một chiếc Nakajima Ki-43 "Oscar" và một chiếc Kawasaki Ki-61 "Tony". Johnson được thăng hàm Đại úy và được điều về Phi đoàn Tiêm kích số 9 vào tháng 8 năm 1943.[1]

Ngày 15 tháng 10 năm 1943, khi đang làm nhiệm vụ bảo vệ đoàn tàu Đồng Minh tại Vịnh Oro, đội bay của Johnson và các máy bay khác thuộc Liên đoàn Tiêm kích 348 đã bị 20 máy bay Nhật Bản tấn công. Khi đang vào đội hình tấn công, một máy bay trong đội hình của Johnson không thể cắt được thùng dầu phụ, và một chiếc khác bị hỏng bộ siêu nạp, buộc chúng phải quay trở về căn cứ với vài chiếc hộ tống. Do đó, Johnson chỉ còn lại khá ít máy bay để đánh chặn máy bay Nhật. Bất chấp những bất lợi, phi đội của Johnson đã thành công trong việc đánh chặn và làm phá sản kế hoạch tấn công của Nhật. Johnson tuyên bố đã bắn hạ bốn máy bay đối phương, nhưng chỉ được ghi nhận ba chiếc: một chiếc Oscar và hai chiếc Aichi D3A "Val", trở thành ACE, nhưng chiếc Lightning của ông đã bị bắn hỏng nặng đến mức không thể sửa chữa. Vì sự dũng cảm trong trận chiến, Johnson được trao thưởng Huân chương Thập tự Phục vụ Xuất sắc.[1][4]

Ngày 23 tháng 10, Johnson bắn hạ một chiếc A6M Zero khi đang hộ tống một đội máy bay ném bom B-17 Flying Fortress ở gần Rapopo, New Britain. Ông được thăng quân hàm Thiếu tá và được bổ nhiệm làm chỉ huy trưởng Liên đoàn Tiêm kích số 9; ông giữ chức vụ này đến tháng 1 năm 1944.[1]

Ngày 15 tháng 11 năm 1943, khi đang bay về căn cứ ở Finschhafen, Johnson phát hiện ra một nhóm máy bay lạ gồm hai máy bay hai động cơ và hai máy bay tiêm kích. Nghi ngờ là máy bay Nhật, Johnson đã lao vào tấn công và bắn cháy một chiếc hai động cơ. Nhưng điều khiến Johnson bất ngờ là khi Johnson tiếp cận chiếc máy bay đang bốc cháy, ông hoảng hốt nhận ra ông vừa bắn nhầm một máy bay CAC Boomerang của Không quân Hoàng gia Úc, có số hiệu đuôi A46-136 và được điều khiển bởi Trung úy Robert M. Stewart. Stewart thoát khỏi chiếc máy bay thành công và sống sót qua vụ tai nạn với vài vết xước nhẹ, và được Johnson tặng một chai rượu gin như một lời xin lỗi. Chiếc Boomerang còn lại, có số hiệu đuôi A46-132, và hai chiếc P-40 Warhawk hộ tống, quay trở về căn cứ an toàn. Để kỷ niệm vụ bắn nhầm này, Johnson đã sơn một lá cờ Úc lên chiếc P-38 Lightning của ông, coi đó như một chiến công bắn rơi máy bay đối phương.[1][5]

Cuối năm 1943, Phi đoàn số 9 được cung cấp máy bay Republic P-47 Thunderbolt để bổ sung, thay thế cho những chiếc P-48 của phi đoàn bị bắn hạ, bắn hỏng sau các phi vụ ở Rabaul, và số lượng P-38 không đủ để bổ sung kịp ra chiến trường.[6] Johnson đã bắn hạ một chiếc Tony và một chiếc Zero trên chiếc P-47, nâng tổng số chiến công của ông lên 11. Sau đó, Johnson được cấp quyền nghỉ phép ba tháng về Hoa Kỳ.[7][8]

Quay trở lại chiến trường vào tháng 10 năm 1944, Johnson cùng Liên đoàn 49 được điều động về Tacloban ở Leyte, Philippines. Tacloban bị tấn công liên tục cả ngày lẫn đêm khi quân Nhật đang cố gắng phá hủy các căn cứ tiền tiêu của Mỹ ở Leyte.[9] Bốn giờ sau, Johnson bắn rơi hai máy bay địch, một chiếc Nakajima Ki-44 "Tojo" và một chiếc Oscar, trên bầu trời Balikpapan ở Borneo.[10] 13 ngày sau, ông bắn rơi thêm hai máy bay địch, một chiếc Oscar và một chiếc Val, trong Chiến dịch Philippines. Ngày 11 tháng 11 năm 1944, Johnson bắn hạ hai máy bay Zero trên Vịnh Ormoc, và vào ngày 7 tháng 12, ông bắn hạ ba chiếc Oscar và một máy bay ném bom Nakajima Ki-49 "Helen" trên bầu trời Cebu, đem về cho Johnson tấm Huân chương Thập tự Phục vụ Xuất sắc thứ hai.[11] Tính đến thời điểm đó, Johnson đã đạt được 21 chiến công. Vào mùa xuân năm 1945, Liên đoàn Tiêm kích 49 được điều chuyển về căn cứ mới, Phi trường Clark, và được giao nhiệm vụ cung cấp hỏa lực hỗ trợ cho các chiến dịch mặt đất. Johnson được thăng quân hàm Trung tá và được giữ chức vụ phó chỉ huy trưởng Liên đoàn Tiêm kích 49 đến tháng 3 năm 1945. Ông đạt được chiến công thứ 22, chiến công cuối cùng của ông, trong một nhiệm vụ càn quét ở Hồng Kông vào đầu tháng 4 năm 1945.[12][13]

Tháng 7 năm 1945, Johnson được thăng hàm Đại tá và được bổ nhiệm làm chỉ huy trưởng Liên đoàn Tiêm kích 49. Ở tuổi 24, Johnson là một trong những sĩ quan cấp Đại tá trẻ tuổi nhất trong lịch sử Không lực Lục quân Hoa Kỳ.[14] Khi chiến tranh kết thúc, Johnson đã bay tổng cộng 265 phi vụ, được ghi nhận bắn hạ 22 máy bay đối phương, 20 trong số đó trên chiếc P-38 Lightning và hai chiến công trên chiếc P-47 Thunderbolt.[12]