Tyler Hoechlin a commencé à jouer la comédie à l'âge de 9 ans. Il a été choisi parmi 2000 autres candidats pour incarner le rôle de Michael Sullivan Jr. dans le film Les Sentiers de la perdition en 2002, ce qui l'a mené à obtenir le rôle de Martin Brewer dans la série familiale/dramatique, 7 à la maison. Grâce à son rôle dans la série, Tyler fut nominé dans la catégorie "Révélation masculine de l'année" lors des Teen Choice Awards 2004 ainsi qu'en 2005.
En 2007, il a joué le rôle principal dans le téléfilm Les Griffes de la forêt aux côtés de Kate Todd, puis, il a joué dans un épisode de la sixième saison des Experts : Miami. Cette même année (2007), Tyler a été choisi pour incarner Emmett Cullen dans la saga à succès Twilight mais il a refusé le rôle. En 2008, il a joué le rôle de Nick dans le téléfilm Solstice aux côtés de Amanda Seyfried, Hilarie Burton et Elisabeth Harnois. En 2009, il a joué dans un épisode de la série Castle ainsi que dans un épisode de la série My Boys.
Le 27 avril 2011, on l'a retrouvé au cinéma dans la comédie Bon à tirer (B.A.T.) aux côtés de Christina Applegate et Owen Wilson. On le retrouve aussi au cinéma dans un film dramatique, Open Gate, dont la date de la sortie reste inconnu. En 2012, on le retrouvera dans la comédie, Melvin Smarty, aux côtés de Taylor Cole et Helena Mattsson.
Depuis le 6 juin 2011, Tyler joue le rôle de Derek Hale dans la série fantastique/dramatique, Teen Wolf.