Nació el 1 de Diciembre de 1988 en la ciudad de Columbus, Ohio. Creció junto con tres hermanos, Zack (también cantante) , Jay, y una hermana, Madison. Su madre, Kelly, era profesora de matemáticas en el distrito escolar de Olentangy antes de pasar a ser entrenadora de baloncesto en la escuela Olentangy Orange High School en 2013. Su padre, Chris, también trabajó como entrenador en la escuela Worthington Christian High School desde 1996 hasta 2005, y actualmente es director de escuela. Joseph jugó al baloncesto desde muy temprana edad, y jugó como base en la escuela de su madre. En 2008, el equipo de baloncesto de Joseph quedó en segundo lugar en un torneo estatal.
Después de ver a un compositor en el club High Street, rechazó una beca de baloncesto de la Universidad de Otterbein, y comenzó a tocar música después de encontrar un viejo teclado en su armario (un regalo de Navidad de su madre).
Joseph formó Twenty One Pilots en el año 2009 en Columbus, Ohio, y luego se le unirían sus amigos de secundaria Nick Thomas y Chris Salih. El nombre de la banda surgió mientras leía Todos eran mis hijos de Arthur Miller, una obra sobre un hombre que debe decidir que es lo mejor para su familia después de causar la muerte de veintiún pilotos durante la Segunda Guerra Mundial. Joseph explicó que el dilema moral de la historia fue la inspiración para el nombre de la banda. El 29 de diciembre de 2009, lanzaron su álbum debut homónimo, y realizaron una gira por Ohio.
A mediados de 2011, Thomas y Salih abandonaron la banda debido a problemas de horarios y artísticos, ahí se le une a Joseph el baterista Josh Dun. Tyler y Josh habían sido presentados por Salih, quien trabajaba con Dun en una tienda de Guitar Centre, y posteriormente lo había invitado a un show de la banda. El dúo lanzó su segundo álbum de estudio de la banda, Regional at Best, el 8 de Julio de 2011, y firmó con la discográfica Atlantic Récords sello subsidiario Fueled By Ramen en Abril de 2012. En agosto de 2012, se embarcaron en una pequeña gira con Neon Trees y Walk The Moon
El tercer álbum del dúo, Vessel, fue lanzado el 8 de Enero de 2013, y quedó en el puesto número 58 en el Billboard 200. El cuarto álbum, Blurryface, fue lanzado el 17 De Mayo de 2015, dos días antes de su fecha de lanzamiento prevista.
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