בזמן שלמד תיאטרון באוניברסיטת אוהיו, פגש ג'וזף את כריס סלי במסיבה. משראה את יכולת הכתיבה והיצירתיות של ג'וזף, הציע לו סלי להקים להקה. ג'וזף, שהתרשם מאולפן ההקלטות שבנה סלי כמתופף בביתו, הסכים לנגן יחד עם סלי והחל לשתף איתו את רעיונותיו. לפני הופעתם הראשונה, הזמין ג'וזף את ניק תומאס להצטרף ללהקה בתור בסיסט. ב-2009 עברו חברי הלהקה לבית משלהם, ובמחסן החלו ליצור ולהקליט את אלבומם הראשון. תחילה ניגנה הלהקה באולמות ובקלאבים רבים באזור קולמבוס, שהיו בעלי סוגות מוזיקליות רבות שהשפיעו על סגנון הכתיבה של ג'וזף, כמו מוזיקה אלקטרונית ומטאל. כדי למשוך אנשים נוספים להופעות, החלו חברי הלהקה ללבוש תלבושות מיוחדות ולבצע תרגילי אקרובטיקה על הבמה. לבסוף, בחרה הלהקה את שמה מתוך המחזה "כולם היו בניי" (באנגלית: All My Sons) של המחזאי האמריקאי ארתור מילר המתמודד עם שאלת מוסריותו של אדם המחליף את אחריותו כלפי החברה כולה באחריות למשפחתו, לאחר שגרם למותם של עשרים ואחד טייסים.
ב-29 בדצמבר 2009 הלהקה הוציאה לאור את אלבום הבכורה שלה "Twenty One Pilots" והחלה להופיע באוהיו. שיווק ההופעות היה חובבני, ואמו של ג'וזף עמדה מחוץ לאובנירסיטת אוהיו וחילקה כרטיסים. באותו הזמן השתתפה הלהקה בתחרויות "Battle of the Bands" במועדונים מוכרים בקולומבוס. ב-2010 פרסמה הלהקה שני שירים בחשבון ה-SoundCloud שלה - גרסה מחודשת לשיר "Time to Say Goodbye" של שרה ברייטמן ואנדראה בוצ'לי, וגרסת כיסוי לשיר "Jar of Hearts" של כריסטינה פרי. הראשון מביניהם היה השיר הראשון של הלהקה ששמע ג'וש דאן, והיה אחת מהסיבות שבעקבותיהן רצה להיפגש עם ג'וזף.
2012–2011: שינויים בהרכב ו-Regional at Best.
ב-8 במאי 2011 עזב כריס סלי את הלהקה לאחר שכתב בעמוד הפייסבוק שלה שעליו להתמקד בעבודה ובחייו האישיים. כחודש לאחר מכן, כתב גם ניק תומאס שהוא צריך להשקיע את עיקר זמנו בלימודים, ולכן עוזב את הלהקה. לפני שעזב, הזמין סלי את שותפו לעבודה ג'וש דאן שהיה חבר של הקבוצה ומתופף בלהקה "House of Heroes", להצטרף ללהקה ולקחת את תפקידו כמתופף. דאן, שהתרשם מהפוטנציאל של הלהקה ומהחזון של ג'וזף, הסכים והצטרף ללהקה שבועות בודדים לפני עזיבתו של תומאס. במשך זמן מה לאחר עזיבתם, נותרו סלי ותומאס מעורבים בשיווק ובפרסום הלהקה. תומאס, שהלך ללמוד בצפון קרוליינה, חזר לאחר שנה לגור יחד עם ג'וזף ודאן בקולומבוס והחל לנהל את שיווק המוצרים של הלהקה. תומאס המשיך להיות פעיל בהפצה ובשיווק גם במהלך ההפקה של האלבום "Blurryface" ובסיבוב ההופעות שאחריו.
בהרכב החדש שכלל את ג'וזף ודאן בלבד, הוציאה הלהקה ב-8 ביולי 2011 באופן עצמאי את האלבום השני שלה "Regional at Best". סלי ותומאס היו שותפים ביצירת הרעיון שמאחורי האלבום, אך יצירתו והפקתו נעשו באופן כמעט בלעדי על ידי ג'וזף. זהו האלבום היחיד שבו ניתן לשמוע קטעי שירה שאינם של ג'וזף. השיר "Kitchen Sink" מתוך האלבום כולל קטע ראפ של זאק, אחיו של ג'וזף, ואל השיר "Be Concerned" הצטרף חברו של ג'וזף מהאוניברסיטה, הזמר "Jocef".
מספר חודשים לאחר יציאת האלבום, ולאחר שביססה את קהל המעריצים שלה באזור קולומבוס דרך הרשת החברתית ובהופעות רבות, הופיעה הלהקה בהיכל "Newport Music Hall" שבקולומבוס לאחר שמכרה את כל הכרטיסים למופע. ההישג היה מרשים במיוחד לנוכח העובדה שהלהקה הייתה מקומית ופעלה באופן עצמאי, והוא תפס את תשומת לבם של כמה חברות תקליטים שתהו האם הלהקה תוכל להצליח גם מחוץ לאוהיו. הלהקה פתחה את סיבוב ההופעות של האלבום יחד עם להקת הרוק "!CHALLENGER", אותו תיעדה בסדרת סרטונים שהועלו לערוץ היוטיוב של הלהקה. באותה השנה, שחררה הלהקה שני שירים נוספים דרך רשימת התפוצה שלה באימייל - "House of Gold" ו-"Two". ב-2012, פרסמה הלהקה שיר חדש בשם "Goner" יחד עם וידאו קליפ. בשלב מאוחר יותר, נכתב והוקלט השיר מחדש, ושוחרר שנית באלבום הרביעי של הלהקה "Blurryface".
לאחר שחתמה הלהקה על הסכם עם חברת התקליטים Fueled by Ramen ב-2012, האלבום הופסק לחלוטין וזכויותיו הועברו לחברת התקליטים. כתוצאה מכך, האלבום הוסר מהחנויות הדיגיטליות ומכירת העותקים של האלבום נעצרה. בעקבות זאת, עותקים פיזיים של האלבום נחשבים היום לנדירים ולמבוקשים מאוד בידי המעריצים. חלק משירי האלבום הוקלטו מחדש והופיעו גם באלבום הבא של הלהקה, "Vessel", אך ששת השירים "Slowtown", "Anathema", "Ruby", "Be Concerned", "Clear" ו-"Two" לא חודשו ונהפכו מאז ללא זמינים, מאחר שלא ניתן למצוא את האלבום ברוב שירותי המוזיקה העיקריים. אף על פי כן, ניתן למצוא את האלבום בשירות המוזיקה Deezer, ואת חלק משירי האלבום בפנדורה.
2014–2012: חתימה עם חברת התקליטים ו-Vessel.
ב-30 באפריל 2012, הכריזה הלהקה במהלך הופעתה שחתמה על הסכם עם חברת התקליטים Fueled by Ramen, חברת הבת של Atlantic Records, שאחראית להצלחות של אמנים רבים מז'אנרים דומים, כמו פאניק! אט דה דיסקו ופאראמור. כחלק מההסכם עם החברה, הצליח ג'וזף לשמור על בעלות הלהקה על אלבומה הראשון "Twenty One Pilots", שנשאר זמין בצורה דיגיטלית. עם זאת, הזכויות על האלבום השני "Regional at Best" הועברו לחברת התקליטים, וכתוצאה מכך האלבום ומכירותיו הופסקו והוא הוסר מהחנויות הדיגיטליות. ב-17 ביולי הוציאה הלהקה את ההקלטות הראשונות שלה דרך Fueled by Ramen, כחלק ממיני אלבום בשם "Three Songs", שכלל שלושה שירים מתוך האלבום הבא של הלהקה "Vessel". ב-11 בספטמבר יצא הסינגל הראשון "Holding on to You" מתוך האלבום, וב-14 בנובמבר שוחרר גם וידאו קליפ לשיר. הסינגל היה השיר הראשון של הלהקה שנכנס למצעדי המוזיקה, והגיע למקום ה-11 בטבלת שירי הרוק האלטרנטיביים של מצעדי הבילבורד בארצות הברית. הסינגל השני מתוך האלבום, "Guns for Hands", יצא לאור ב-26 בדצמבר באותה השנה, ומעט לאחר מכן שוחרר גם לו וידאו קליפ.
ב-8 בינואר 2013 יצא לאור אלבום האולפן השלישי של הלהקה "Vessel". האלבום כלל שישה שירים מתוך האלבום הקודם של הלהקה "Regional at Best" שהוקלטו מחדש, וכך הם הוחזרו לחנויות הדיגיטליות בגרסאותיהם החדשות, לאחר שהוסרו מהן בעקבות העברת הזכויות על האלבום. עטיפת האלבום כוללת את הסבים של ג'וזף ודאן, לאחר ששניהם הציגו אותה לחברת התקליטים כדי לראות כיצד יגיבו. לאחר שהחברה הסכימה, החליטו השניים להשאיר את העטיפה. באחד הראיונות, הסביר ג'וזף שהמשמעות מאחורי שם האלבום (בתרגום לעברית: כלי), היא שהגוף שלנו הוא כלי שנושא בתוכו דבר חשוב בהרבה מהקליפה החיצונית, ובמותנו, הוא משתחרר וממשיך הלאה.
האלבום הגיע למקום ה-21 במצעד האלבומים "בילבורד 200", והלהקה זכתה להצלחה ברחבי העולם. במאי 2013, הכריזה הלהקה שתופיע במופעי החימום בסיבוב ההופעות של הלהקה Fall Out Boy, יחד עם פאניק! אט דה דיסקו. באוגוסט הופיעה הלהקה בפעם הראשונה בתוכנית אירוח לילית, וביצעה את השיר "House of Gold" בתוכנית "Conan" האמריקאית. ב-13 באפריל 2014 הופיעה הלהקה עם השיר "Car Radio" בטקס פרסי הסרטים והטלוויזיה של MTV, וכשבועיים לאחר מכן ביצעה את אותו השיר גם בתוכנית האירוח "Late Night with Seth Meyers".
בספטמבר 2014, פתחה הלהקה את סיבוב ההופעות הבין-לאומי שלה "Quiet Is Violent World Tour", שנמשך כחודשיים. הלהקה שילבה בסיבוב גם הופעות שהגיעו מבקשות של ערים שונות בעולם, ואף השתתפה במספר פסטיבלי מוזיקה כמו "Lollapalooza", "Bonnaroo", "Boston Calling" ו-"Firefly". ב-31 בדצמבר 2014 הוציאה הלהקה וידאו קליפ עבור השיר "Ode to Sleep". הסרטון, שכלל קטעים מתוך שלוש הופעות שונות של הלהקה בשלוש השנים האחרונות, תיאר את הגדילה המהירה של הלהקה, החל מלהקה מקומית קטנה בקולומבוס, ועד ללהקה ידועה ומוכרת בקנה מידה לאומי. מגמת הצלחה זו עתידה להימשך גם בשנים הבאות של הלהקה, ובייחוד באלבומה הבא.
2017–2015: Blurryface.
ב-17 במרץ 2015 הודיעה הלהקה כי אלבום האולפן הרביעי שלה "Blurryface" צפוי לצאת לאור ב-19 במאי באותה השנה, ופרסמה את הסינגל הראשון ממנו, "Fairly Local". הסינגל השני מהאלבום, "Tear in My Heart", יצא לאור ב-6 באפריל, ובאותו החודש יצא גם הסינגל השלישי ממנו, "Stressed Out". שני סינגלים נוספים מהאלבום, "Lane Boy" ו-"Ride", פורסמו ב-4 במאי וב-12 במאי בהתאמה, ולאחר כמה ימים פורסם גם וידאו קליפ לאחרון. האלבום יצא לאור לבסוף ב-17 במאי 2015, יומיים לפני המועד המתוכנן. ב-20 ביולי פורסם קליפ גם לשיר "Lane Boy", וב-4 בפברואר 2017, לאחר כשנה וחצי, הוציאה הלהקה קליפ לשיר "HeavyDirtySoul" מתוך האלבום.
האלבום זכה להצלחה גדולה, ותרם משמעותית לפרסום הלהקה בעולם. בין השירים המצליחים ביותר של האלבום ניתן למצוא את "Stressed Out" ו-"Ride", שנכנסו לראש מצעד הבילבורד הוט 100, והגיעו למקומות 2 ו-5 בהתאמה. בנוסף לכך, הווידאו קליפ של "Stressed Out" שפורסם ביוטיוב חצה את רף 2 מיליארד הצפיות, וממוקם ברשימת 50 הסרטונים הנצפים ביותר באתר. הישג משמעותי נוסף של השיר נרשם כאשר הוא זיכה את הלהקה ב-12 בפברואר 2017 בפרס גראמי בקטגוריית ביצוע הפופ הטוב ביותר של צמד או של הרכב. לקבלת הפרס עלו חברי הלהקה אל הבמה בתחתונים, וציינו בנאום זכייתם שעשו זאת בתור קיום הבטחתם אחד לשני כאשר היו צעירים.
הסינגל "Heathens" שהוציאה הלהקה ב-16 ביוני 2016 והופיע בפסקול הסרט "יחידת המתאבדים" שפורסם מאוחר יותר באותה השנה, נחל גם הוא הצלחה רבה, ואף היה השיר השני של הלהקה שהקליפ שלו חצה את מיליארד הצפיות ביוטיוב, לאחר "Stressed Out".