大学卒業後はミズノに入社し、陸上競技の室伏広治らと同様、ミズノの社員選手として競技を続けることになった。ミズノは2007年5月にSPEEDO水着事業から撤退し、翌6月から自社ブランドの水着事業展開を始めたが、寺川は他の「社員スイマー」とともに「ミズノスイムチーム」の結成に参加。以後はこの名義で大会に参加するとともに、社員として自社水着の開発目的でのテストスイムと、宣伝活動を行っている。2008年4月に行われた日本選手権では、中村礼子と伊藤の前に100m、200mとも屈する形となり、2大会連続のオリンピック出場はかなわなかった。入社初年度のミズノ水泳部の女子部員が寺川だけで、商品開発のための「テスト・スイマー」としての泳ぎが優先され、自分のための十分な練習時間が取れなかったためではないかとみられている。その後、平泳ぎの種田恵がミズノに入社することになった。それを受け、商品開発目的で泳ぐことの負担が軽減され自分のための練習時間や、平井伯昌コーチ の教えを受ける機会を増やせるようになり、復活の兆しを見せ始めた。2008年12月14日、第13回高岡市水泳スプリント選手権大会の50m背泳ぎで、26秒73の短水路日本新（当時）を記録。2009年1月のKONAMI OPEN 2009では50m背泳ぎ28秒11、100m背泳ぎ1分00秒53と共に自己ベストを更新、2009年2月15日、競泳短水路の東京都記録会の50m背泳ぎで26秒40の短水路アジア新をマークした。2009年4月に行われた日本選手権では、100m背泳ぎで59秒67と初めて1分を切り7年ぶり2度目の優勝を果たした。50mでも予選で27秒94、決勝で27秒78と連続で日本記録を更新して優勝した。200mでは完全にライバル関係へと変わった伊藤を破り、“背泳ぎ三冠”を達成。ローマで開かれる世界選手権の代表に選ばれた。2011年7月に上海で行われた世界水泳では、100m背泳ぎで5位に入賞、50m背泳ぎでは27秒93の記録で2位に入り銀メダル。世界選手権で初のメダル獲得となった。
2003年、近畿大学法学部に入学する。寺川は大学進学後もクラブには一応籍を置いていたが、学校側の方針により日本水泳連盟には「近畿大学の学生」として登録して大会に出場していた。また、在学中は大手英会話学校ジオスのコマーシャルにも出演していた。大学2年生で出場した2004年アテネオリンピックでは、200m背泳ぎで8位入賞を果たした（この時銅メダルを取ったのが中村礼子であった）。しかし、その後はライバルの稲田法子との戦いの中で敗れ去る状態が続いた。事態打開のためアメリカでトレーニングをするなど努力を続けたものの、2006年シーズン（2007年3月の世界水泳終了まで）は日本代表から漏れた。寺川はこの悔しさをバネに、北京オリンピック出場を目指した。
彼のキャリアは5歳時の50ccオートバイレースが初。四輪オフロードレースを経てサーキット競技に転向、好成績が認められ1998年よりNASCAR・ブッシュシリーズに出走をし始める。その後、2001年のチームトラブルによりジェフ・ゴードンと親交を深める機会が生まれ、翌年彼等のチーム（ヘンドリック・モータースポーツ）からウィンストンカップ・シリーズ（現・モンスターエナジー・NASCARカップ・シリーズ）にフル参戦デビューを果たす。フル参戦初年度よりデイトナ500でポールを獲得するなど大きな注目を浴びるが、翌年から実力を誇示しつつも調子に波があることや、短期決戦であるチェイス(プレーオフ制度)等に阻まれ、年間王者を取り逃がすシーズンが続く（2003年はわずか1勝のマット・ケンゼスに屈し、2004年は8勝しながらもカート・ブッシュに8ポイント差で敗れる）。しかし、2006年にチェイスを制して遂に悲願のシリーズチャンピオンを獲得する。「チャンピオン候補」の重圧から解放された2007年は年間10勝の活躍（プレーオフでも4勝）、文句なしの成績で2連覇を達成。そして2008年も年間7勝を獲得し、ケール・ヤーボローが1976年～1978年に達成して以来となる30年ぶり2人目のNASCAR最高峰クラス3連覇を果たした。そして2009年、チェイス前3勝で3位でチェイスへ突入。チェイス2戦目のドーバーで4勝目を、4戦目フォンタナでの勝利でランキングトップへと浮上。そのまま5戦目シャーロットも連勝、7戦目タラデガではライバルが最後のビッグワンに巻き込まれ低迷する中を運良く回避し、差を詰められるはずのランキングを逆に引き離す結果に。8戦目テキサスでは序盤のハードクラッシュに巻き込まれ38位に終わり、一気に詰められるものの9戦目フェニックスで勝利し一気に有利な展開へ。最終戦ホームステッドでは納得の5位。シリーズチャンピオンだけでなく、最多勝、賞金王のトリプルクラウン獲得のおまけ付きで、前人未踏のシーズン4連覇を達成した。2010年は最後の最後までもつれる大接戦となったが、最終戦のホームステッドで2位に入り、年間8勝でポイントリーダーであったデニー・ハムリンを逆転して5連覇を達成。ジョンソンは年間6勝と最多勝こそハムリンに譲ったものの、TOP5が17回・TOP10も23回と抜群の安定感が決め手となった。2013年は開幕戦デイトナ500での勝利を含めレギュラーシーズン4勝。チェイスで1勝の計5勝で迎えた第34戦テキサスで勝利し、マット・ケンゼスを追い抜いてランキング首位となる。続く第35戦ではケヴィン・ハーヴィックに敗れ3位、最終戦ホームステッド＝マイアミでは9位フィニッシュであったが、チャンピオンを争っていたケンゼスは勝利をチームメイトのハムリンに阻まれたため、ジョンソンが19ポイント差で6回目のチャンピオンを獲得した。2016年は第2戦アトランタを制し、早々にチェイス進出を決める。第5戦フォンタナを制した後しばらく勝利からは遠ざかるものの、チェイスに入ってから第30戦シャーロット、第33戦マーティンズビルを制し、チャンピオンシップ4に勝ち残る。最終戦ホームステッド＝マイアミを制し、リチャード・ペティ、デイル・アーンハートと並ぶシリーズ7回目のチャンピオンを獲得した。2018年3月14日、プライマリースポンサーとしてサポートしていたロウズが、2018年限りでスポンサーから撤退するとアナウンスされた。カップ戦初参戦の2001年から続いていたパートナーシップは18年で終了することとなった。