Johnsen studerte musikk ved Musikkonservatoriet i Oslo fra 1930 til 1942. Her hadde han bl.a. Bjarne Brustad, Karl Andersen og Per Steenberg som lærere. Johnsen debuterte både som komponist og som fløytist 1941. Et studieopphold hos Vagn Holmboe i København 1956 fikk vesentlig betydning for hans kompositoriske utvikling.
1945–47 var Johnsen fløytist i Nationaltheatrets orkester og 1947–72 solofløytist i Forsvarets Stabsmusikkorps. Fra 1972 til 1984 var han lektor i musikk ved Rud videregående skole i Bærum. Han har også vært dirigent for forskjellige amatørkorps, og han har gitt en rekke solokonserter.
Hallvard Johnsens opusliste omfatter 134 opus, og blant hans hovedverker må operaen Legenden om Svein og Maria fremheves. Den ble komponert 1971 og oppført ved Den Norske Opera 1973. Alfred Hauges tekst til operaen bygger på to av hans bøker, Vegen til det døde paradis og Legenden om Svein og Maria, og handler om kampen mellom det onde og det gode, menneskets valg mellom egoisme og nestekjærlighet. Musikalsk best er de symfoniske partiene og korsatsene i operaen. Legenden om Svein og Maria gjorde et sterkt inntrykk ved oppførelsen, og den må ansees som et viktig verk blant nyere norske operaer.
Johnsens to andre operaer, Det kjempende menneske (1982, tekst: Tor Edvin Dahl) og Nattergalen (tekst: Tone-Lise Benitt Kongsøre), er hittil ikke oppført.
Blant komponistens 24 symfonier for stort orkester kan nevnes nr. 13, med undertittel Pastorale, og nr. 19, med tittelen Oceano. Av andre hovedverker kan nevnes oratoriet Logos (med tekst fra Bibelen), og kantaten Krosspåske (tekst: Anders Hovden). Johnsen komponerte konserter for soloinstrumenter og orkester, bl.a. en konsert for fløyte og strykeorkester, en fiolinkonsert, og en mengde kammermusikk, bl.a. seks strykekvartetter og fire blåsekvintetter. Han har også komponert sanger, dels for en solostemme med klaver, dels for kor, og en rekke klaververker og orgelverker.
I ungdomsverkene er Hallvard Johnsen preget av den nasjonale stilen som rådde grunnen i Norge før 1950. Fra Pastorale (op. 20) for fløyte og klaver begynte komponisten å arbeide seg frem mot en mer fritonal stil, og etter studieoppholdet hos Vagn Holmboe har han komponert i en fritonal tolvtonestil, men uten bruk av tolvtonerekker. I verkene fra 1970-årene av kan det merkes en viss tilbakevending til en mer moderat og enklere stil, også med innslag av nasjonale elementer. Det stilistiske grunnlaget er imidlertid fortsatt en fritonal tolvtonestil. De fleste av Hallvard Johnsens komposisjoner er bygd opp med en mer eller mindre fri variasjons- eller metamorfoseteknikk. Mange av de symfoniske verkene er énsatsige. En betydelig del av hans produksjon har kirkemusikalsk tilknytning.