A livello juniores ha ottenuto ottimi risultati, vincendo gli Australian Open junior sia in singolare che in doppio nella stessa occasione e diventando numero uno del mondo.
Entrando tra i professionisti, è diventata una giocatrice prevalentemente di doppio, aggiudicandosi in tale specialità 5 titoli WTA, tra cui il prestigioso Western & Southern Open 2023, e raggiugendo la finale sia agli US Open 2022 con Caty McNally che all'Open di Francia 2023 con Leylah Fernandez. Il suo miglior piazzamento in classifica di doppio è stata la posizione numero 5, raggiunta a giugno 2023.
In singolare è stata numero 61 del mondo e, nelle prove del Grande Slam, vanta come miglior risultato gli ottavi di finale agli US Open 2019.
Ottiene ottimi risultati nel circuito Juniores: agli US Open 2011 arriva fino alla finale del doppio ragazze insieme alla connazionale Gabrielle Andrews ma vengono sconfitte da Irina Chromačëva e Demi Schuurs. Al primo Slam del 2012, gli Australian Open, conquista sia il singolare che il doppio ragazze. Nella prima finale sconfigge in tre set la kazaka Julija Putinceva, nel doppio partecipa nuovamente con Gabrielle Andrews e supera in finale Irina Khromacheva e Danka Kovinić.
Il 23 aprile 2012 raggiunge la prima posizione in classifica superando Ashleigh Barty.[1]
Insieme a Gabrielle Andrews si ripresenta alla finale degli US Open nel doppio ragazze e riescono a vendicare la sconfitta dell'anno precedente superando in due set Belinda Bencic e Petra Uberalová. A Wimbledon 2013 avanza fino alla finale prima di arrendersi in un match combattuto alla numero uno al mondo Belinda Bencic.
Partecipa al doppio femminile e doppio misto degli US Open 2011 grazie a delle wildcard. Nel torneo riservato alle donne scende in campo insieme a Jessica Pegula e la coppia raggiunge il terzo turno prima di essere eliminata da Vania King e Jaroslava Švedova. Nel doppio misto partecipa assieme a Donald Young, ma non riescono a superare il primo turno.
Fa il suo esordio negli Slam in singolare a Parigi 2014 dove raggiunge il terzo turno eliminando la connazionale Vania King e la tennista di casa Alizé Cornet.[2]
Townsend partecipa poi agli Australian Open 2019, venendo estromessa alla prima partita dalla testa di serie n. 5 Sloane Stephens per 4-6 2-6.
Si qualifica per il tabellone principale degli US Open 2019. Dopo aver superato al primo turno Kateryna Kozlova, batte a sorpresa la numero quattro del mondo Simona Halep, reduce dalla vittoria del torneo di Wimbledon, con il punteggio di 2-6 6-3 7–6(4), annullando anche un match point a favore della romena. Questa rappresenta la prima vittoria di Townsend contro una Top 10 dopo undici tentativi; la partita ha avuto un forte impatto mediatico, anche grazie alle 106 discese a rete da parte della statunitense, che costituiscono un'eccezione nel tennis femminile.[3] Al terzo turno sconfigge Sorana Cîrstea per 7-5 6-2, approdando per la prima volta agli ottavi di finale di uno Slam in singolare, dove però perde contro la futura campionessa Bianca Andreescu per 1-6 6-4 2-6.
Il primo torneo del 2020 per la Townsend sono gli ASB Classic a Auckland, dove si presenta sia in singolare, sia in doppio, in coppia con Asia Muhammad. Nel singolare viene sconfitta all'esordio da Caroline Garcia per 5-7 6-3 5-7, mentre nel doppio la coppia si spinge fino alla finale, dove si scontra con Serena Williams e Caroline Wozniacki, vincendo con un doppio 6-4 e aggiudicandosi il torneo.[4] Seguono poi gli Australian Open 2020, e anche qui la Townsend si presenta in entrambe le specialità; in doppio fa stavolta coppia con la belga Kirsten Flipkens. Al primo turno del singolare sconfigge la connazionale Jessica Pegula per 6-4 7–6(5), ma nel secondo viene estromessa da Anastasija Pavljučenkova per 5-7 6(1)–7. Nel doppio Townsend e Flipkens giungono al secondo turno, perdendo poi contro le numero 4 del seeding, le cecheKateřina Siniaková e Barbora Krejčíková, per 6-3 1-6 3-6.
Agli US Open 2023 si presenta in singolare (da numero 132 del mondo), in doppio e in doppio misto. In singolare accede direttamente al tabellone principale in sostituzione della romena Simona Halep, impossibilitata a giocare poiché sospesa per doping. Al primo turno elimina Varvara Gračëva per 6-4 6-2 e poi la numero 19 del mondo Beatriz Haddad Maia per 7-61 7-5. Al terzo turno affronta la numero 10 del mondo Karolína Muchová, recente finalista del Roland Garros, contro cui perde 60-7 3-6. Nel misto, assieme al connazionale Ben Shelton, raggiunge la sua prima semifinale nella specialità: nel match valevole per la finale, si arrendono ai connazionali Pegula/Krajicek al super-tiebreak. Prende in seguito parte al torneo di Guadalajara, dove elimina al primo turno Elvina Kalieva e poi perde da Emiliana Arango.
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Stati Uniti
ASB Classic, Auckland
Caroline Wozniacki
Adelaide International 1, Adelaide
Kateřina Siniaková
Luisa Stefani
Anastasija Pavljučenkova 
Elena Rybakina
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Caroline Garcia 
Eugenie Bouchard
Shūko Aoyama 
Vera Duševina
Hsieh Su-wei 
Wang Xinyu
Firenze Ladies Open, Firenze
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Yanina Wickmayer
Rebecca Peterson
Eléni Daniilídou 
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Torneo di Wimbledon, Londra
Belinda Bencic
Danka Kovinić
Ana Konjuh
Petra Uberalová
Demi Schuurs
Simona Halep
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