Johnston var begejstret for udbruddet af den mexicansk-amerikanske krig. Han tjente på staben af generalløjtnant Winfield Scott i
Belejringen af Veracruz, efter at have været valgt af Scott til at være den officer, der bærer kravet om overgivelse på forhånd til provinsguvernøren. Han var i fortroppen af bevægelsen ind i landet under brigadegeneral David E. Twiggs og blev alvorligt såret af grapeshot udfører rekognoscering forud for slaget ved Cerro Gordo. Han blev udnævnt til oberstløjtnant for sine handlinger ved Cerro Gordo. Efter at være kommet sig på et felthospital, blev han genforenet med hæren i Puebla. Under fremrykningen mod Mexico City var han næstkommanderende for "U.S. Regiment of Voltigeurs", en enhed bestående af let infanteri eller skirmishers. Han udmærkede sig ved Contreras og Churubusco, blev såret igen ved Chapultepec, og modtog to brevetforfremmelser for de sidste to engagements, og sluttede krigen som en brevet oberst af frivillige. (Efter fjendtlighedernes afslutning vendte han tilbage til sin fredstids rang som kaptajn i topografiske ingeniører.) Winfield Scott bemærkede humoristisk, at "Johnston er en stor soldat, men han havde en uheldig evne til at få sig selv skudt i næsten hver engagement". Johnstons største smerte under krigen var hans nevø, Preston Johnstons død. Da Robert E. Lee informerede Johnston om, at Preston var blevet dræbt af en mexicansk artilleri granat ved Contreras, begge officerer græd, og Johnston sørgede for resten af sit liv.