Sœur d'Erik Bjornsen et originaire de Winthrop, elle prend part à son premier championnat du monde junior en 2006.
Membre du club de l'Université d'Alaska, elle gagne le titre national sur dix kilomètres classique en , puis démarre pour la première fois dans la Coupe du monde en à Drammen.
En , elle arrive deuxième du sprint par équipes de Düsseldorf avec Kikkan Randall. Entre-temps, elle court les Championnats du monde à Oslo, où elle est 24e du sprint libre et 29e du dix kilomètres classique. En , elle marque ses premiers points pour la Coupe du monde avec une 27e place au sprint de Drammen. En 2012 à Erzurum, elle signe son meilleur résultat sur les Championnats du monde des moins de 23 ans, avec une cinquième place au dix kilomètres classique.
En 2013, elle finit pour la première fois dans le top dix en Coupe du monde à Lahti (neuvième du sprint), objectif qu'elle réussit en distance en également au début de la saison 2013-2014 à Ruka (septième au cinq kilomètres classique).
En 2014, elle participe aux Jeux olympiques de Sotchi, où elle est 18e du dix kilomètres classique, 31e du skiathlon et 9e du relais. Aux Championnats du monde 2015, elle est notamment quatrième du relais.
Aux Jeux olympiques d'hiver de 2018, à Pyeongchang, elle finit 14e du sprint classique, 15e du dix kilomètres libre, 17e du trente kilomètres classique et 5e du relais. Cet hiver, Bjornsen monte sur deux podiums individuels en Coupe du monde, au sprint classique de Lillehammer, mais surtout aux Finales, lui apportant un nombre de points suffisant pour la placer sixième au classement général.
Bjornsen monte sur deux autres podiums individuels dans l'élite à chaque fois au Nordic Opening et en sprint en 2018 à Lillehammer et en 2019 à Ruka.
En 2021, à l'occasion des Championnats du monde à Oberstdorf, elle dispute sa dernière compétition internationale, terminant notamment quatrième du relais[2]. Elle s'y classe aussi cinquième du sprint par équipes ou encore onzième du dix kilomètres libre.
