Între anii 1979-1983, a urmat cursurile Facultății de Fizică din cadrul Universității "Babeș Bolyai" din Cluj-Napoca. După absolvirea facultății, a fost profesor la diferite școli și licee din Sibiu (1983-1997), inclusiv la Colegiul Național ''Samuel von Brukenthal'', al cărui elev a fost. A ocupat funcția de inspector școlar general adjunct (1997-1999) și apoi inspector școlar general în cadrul Inspectoratului Școlar al Județului Sibiu (1999-2000).
Din 1990, este membru al Forumului Democrat al Germanilor din România (FDGR). În 1997, a devenit membru în Comisia de învățământ a FDGR Transilvania, iar în 1998 a fost ales în Comitetul de conducere al FDGR Sibiu, precum și șeful Comisiei de învățământ a FDGR Sibiu. Între 2002-2013, îndeplinește funcția de președinte al Forumului Democrat al Germanilor din România, fiind reales în 2006 și 2010.
La 30 iunie 2000, a fost ales primar al Municipiului Sibiu, în al doilea tur de scrutin, din partea FDGR. În 2004, a fost reales cu 88,7% din voturi. La alegerile locale din 2008 a obținut un nou mandat de primar, întrunind 83,2% din opțiuni. A fost reales în funcția de primar al Sibiului la alegerile locale din 10 iunie 2012. Și-a dat demisia din funcția de primar, la 2 decembrie 2014, în urma câștigării alegerilor prezidențiale din noiembrie 2014.
La 13 octombrie 2009, după ce Guvernul Boc a fost demis prin adoptarea unei moțiuni de cenzură de către Parlament, Klaus Iohannis a fost propus președintelui Traian Băsescu, de PNL, pentru funcția de prim-ministru al României, ca independent. Constituirea unui guvern format din tehnocrați a fost susținută de PSD, PC și UDMR. Șeful statului a refuzat această propunere în două rânduri, nominalizându-i pe Lucian Croitoru (13 octombrie 2009) și Liviu Negoiță (6 noiembrie 2009). La 21 octombrie 2009, Parlamentul adoptase declarația politică de susținere a lui Klaus Iohannis pentru funcția de prim-ministru, cu 252 de voturi "pentru" și două "împotrivă".
La 20 februarie 2013, s-a înscris în PNL, rămânând și membru FDGR, dar renunțând la președinția Forumului. A fost prim-vicepreședinte al PNL, ales la 23 februarie 2013. La 26 mai 2014, și-a anunțat demisia din această funcție precum și din Biroul Politic al partidului. La 2 iunie 2014, a fost ales președinte interimar al PNL. La 28 iunie 2014, în cadrul Congresului ordinar al PNL, a fost ales președinte al PNL. În cadrul aceluiași eveniment, a fost aprobată fuziunea dintre PNL și PDL, noul partid rezultat numindu-se tot PNL.
La 26 iulie 2014, liberalii și democrat-liberalii s-au reunit în congres comun pentru aprobarea statutului noii formațiuni rezultate în urma fuziunii și a noii alianțe electorale — Alianța Creștin Liberală Partidul Național Liberal-Partidul Democrat Liberal (ACL PNL-PDL).
La 11 august 2014, Biroul Politic Național comasat PNL-PDL, reunit la Palatul Parlamentului, a decis desemnarea liderului liberalilor, Klaus Iohannis, drept candidat al Alianței Creștin Liberale la alegerile prezidențiale din noiembrie 2014. La 20 septembrie 2014, candidatul ACL la președinția României, Klaus Iohannis, și-a depus candidatura la Biroul Electoral Central.
În primul tur de scrutin al alegerilor prezidențiale din 2 noiembrie 2014, candidatul ACL, Klaus Iohannis, a obținut 30,37% (2.881.406 voturi), iar principalul său contracandidat, Victor Ponta a obținut 40,44% (3.836.093 voturi). La 16 noiembrie 2014, în cel de-al doilea tur al alegerilor prezidențiale, Klaus Iohannis, a obținut 54,43% (6.288.769 voturi), iar reprezentantul Alianței PSD-UNPR-PC, Victor Ponta, 45,56% (5.264.383 voturi).
În 2006, a primit Crucea Federală de Merit, oferită de Republica Federală Germania; în 2008 a primit Ordinul Național Italian — Steaua Solidarității Italiene, în grad de Comandor; în 2009 a primit Ordinul de Merit în grad de ofițer al Marelui Ducat de Luxemburg și, în același an, i-a fost acordat Ordinul de Merit "Marea Cruce de Argint" din partea statului Austriac precum și Ordinul de Ofițer al Coroanei Belgiene.
În 2010, a fost onorat cu medalia ''Prieten al Comunităților Evreiești din România'', din partea Federației Comunităților Evreiești din România, precum și cu placheta de onoare a Expatriaților din Germania. În iulie 2014, a fost distins cu Crucea de Ofițer al Ordinului pentru Merite al Republicii Federale Germania.
Vorbește fluent limbile germană și engleză. Este căsătorit.
