Johanna nasce nel paese di contadini sulla riva sinistra del lago di Zurigo. Suo padre Johann Jakob Heusser di famiglia contadina, si iscrisse all'istituto cantonale medico chirugico, grazie ai proventi di una modesta eredità e pur non ottenendo il titolo come dottore, fu abilitato alla pratica come chirurgo e neurologo. Meta (Anna Margaretha Barbara), sua madre, era figlia del pastore di paese, fu istruita in modo approfondito in Teologia e Letteratura, come le sue quattro sorelle. Meta, attraverso l’amica e confidente Kleophea Schlatter-Zahn, entrò in contatto con il movimento religioso del Risveglio, intriso di pietismo, che ispirò la sua opera poetica, molto conosciuta nel territorio germanofono e tradotta in inglese. Scrisse i Lieder einer Verborgenen (I canti di una ritirata). L'influenza dei genitori e dell'ambiente circostante fu decisiva per Johanna. Sin da bambini i piccoli Heusser, Theodor (1822), Anna Elisabeth Dorothea (1825), Jakob Christian (1826), Wihlelm (anno di nascita e della morte prematura 1829), Regula Sophie, detta Ega (1830), Meta Louise (1836) e Johanna vissero immersi nella natura e furono educati alla propensione all'ascolto e all'intrattenimento dei pazienti in cura presso il padre, i quali venivano ospitati in casa. L'atmosfera era ravvivata dalla presenza della nonna materna, delle due zie (Regula fu la sua zia preferita) e di due prozie.

Nel 1833 Johanna frequentò la scuola primaria a Hirzel (assieme ad altri 79 bambini); venne anche affidata al pastore Salomon Tobler, successore in chiesa del nonno, che le permise di sviluppare delle conoscenze in Geografia, Storia, Letteratura tedesca e Disegno. Nel 1842 raggiunse Zurigo per proseguire la sua formazione in Musica e nelle lingue. La zia Elisabeth Wichelhausen (cugina della madre, zia Setli) che la ospitò, viveva a Hirschengraben. Grazie a sua madre, amica di Elisabeth Meyer Ulrich, Johanna conobbe Conrad Ferdinand Meyer (famoso scrittore) e Betsy, sua sorella. Si presume che grazie alla loro vicinanza abbia cominciato a scrivere poesie. Qui avvenne anche l’incontro con Anna Fries (Netti, futura pittrice), con cui legò per anni. Bisogna ricordare che il 6.9.1839 a Zurigo ebbe luogo il putsch che per breve tempo portò i conservatori di nuovo al potere e si tenne una protesta contro il professore di Teologia, David Friedrich Strauss all'università. Gli echi di questi fatti giunsero anche a Hirzel e la popolazione chiese le dimissioni del pastore Tobler. Anni dopo nel racconto Aus fruehren Zeit Johanna lo descrive così: «il pastore era un uomo beato e un pastore per il suo gregge...cercava di raggruppare le sue pecore con amore e mitezza, di curarle, di nutrirle, trovarono esse pascoli altrove». Nel 1840 i Liberali ripresero le redini del governo. Il padre di Johanna non plaudì alla riconquista, essendo conservatore.

Nel 1844 trascorse un anno a Yverdon presso un pensionato, per dedicarsi allo studio della lingua francese. Lì strinse un'amicizia con Anna Hoessli (Salis dopo il matrimonio), che perdurerà negli anni (gli incontri futuri avverranno a Jenins presso Maienfeld, dove si suppone siano ambientate le vicende di Heidi). Nel 1845 fece ritorno a Hirzel e si preoccupò di offrire una solida preparazione alle sorelle Meta e Regula. Per sette anni sostenne la famiglia nel disbrigo dei lavori quotidiani. Quando compì 20 anni, nel 1847, si organizzò una festa per lei. Il padre preparò la lista degli ospiti. Nel 1847 scoppiò la Sonderbundskrieg, tra cattolici e protestanti. Quando si combattè a Gislikon e a Rothenberg racconta Regine Schindler nel suo romanzo su Johanna «tutte le montagne vicino tremarono a causa di un ininterrotto tuono di cannoni...(dall'alto) si videro le fiamme delle case che presero fuoco». Sei soldati furono accolti presso casa Spyri.

Nel frattempo i fratelli furono destinati agli studi universitari. Theodor aprì uno studio medico a Richterwil ed ebbe 3 figli. Christian studiò Scienze naturali a Zurigo, ma data la sua appartenenza ad una famiglia conservatrice che contrastava l'ascesa dei Liberali, non ottenne di insegnare all’università. Il consiglio federale gli affidò il compito di occuparsi degli emigrati verso il Brasile, dove infine si recò e dove negli anni divenne agrimensore. La sorella di Johanna, Anna Ulrich (scrisse una biografia su Johanna dopo la sua morte Erinnerungen aus ihrer Kindheit Ricordi della sua infanzia) fu l'unica che si sposò, con un costruttore edile ed ebbe sei figli. Le altre sorelle di Johanna rimasero presso la casa paterna. Regula insegnò la lingua francese.

Il 20 gennaio 1851 a un concerto di Richard Wagner, rifugiatosi a Zurigo dopo il 1848, Johanna sedette vicino a Johann Bernhard Spyri, giurista, amico dei fratelli. Nel 1852 si fidanzò con lui, che aveva sei anni più di lei. Le nozze furono celebrate lo stesso anno nella chiesa di Wollishofen e la coppia si trasferì a Zurigo presso il quartiere Stadelhofen. Il 17 agosto 1855 venne alla luce Bernhard Diethelm, suo unico figlio.

Durante la maternità Johanna attraversò una fase depressiva, che durò per alcuni anni.

Riallacciò i rapporti con i Meyer. Elisabeth Meyer Ulrich organizzava degli incontri letterari il lunedì presso il suo salotto, era profondamente religiosa e vicina al pietismo. Nel 1856 Elisabeth si tolse la vita e subito dopo il marito di Johanna decise di andare a vivere presso la Bremerhaus, nel quartiere Hirschengraben. Johanna il 29.3.1855 scrisse a Betsy Meyer, mentre accanto a lei il piccolo Bernhard si trastullava con i trenini: «cara Betsy in me alberga un senso di nullità, tutto ciò che desidero, tutto ciò che faccio e per cui vivo è soltanto una costrizione, siedo in casa e lascio che i giorni scorrano, nello stesso tempo in me regna il silenzio, come in un bruco...guardo attraverso la mia giovane vita e lascio dalla vecchia togliere dalla superficie, ciò che deve essere sacrificato. Nello stesso tempo divengo sempre più silenziosa». Jean Villain, un biografo di Johanna, imputa anche all'assenza del marito il senso di solitudine provato dalla moglie, cresciuta in una famiglia numerosa e impegnata.

Johan Spyri ebbe una carriera brillante, pur essendo politicamente schierato contro i modernismi del “sistema Escher”, il governatore la cui azione segnò un grande avanzamento tecnologico e strutturale per la città di Zurigo: dopo gli anni '50 sorsero cantieri per la costruzione della rete tramviaria e ferroviaria, la nuova Borsa, ville, case di servizio, e vennero istallati i cavi telefonici - gli Spyri furono tra l'altro i primi abbonati - mentre nei quartieri poveri nel 1867 scoppiò una grave epidemia di colera. Johan Spyri divenne nel 1868 consulente legale di stato, consigliere cantonale, impiegato comunale e anche redattore dell'«Eidgenoessische Zeitung<» («Giornale federale»), il che segnò un cambiamento in senso pubblico della vita della coppia.

Si appassionarono molto alla musica di Richard Wagner, che si esibiva a Zurigo, e cominciarono a frequentare, sino a che Johan non nutrì un sentimento di gelosia nei suoi confronti in virtù della simpatia fra Wagner e Johanna. Wagner la ricordò nelle sue memorie «particolarmente indulgente, ma spiritualmente non molto dotata». Uscendo dal suo rifugio, pur dandosi alla mondanità, predilisse le soirée meno provinciali di Zurigo: i concerti di Wagner. Forse si era invaghita di questo compositore, fuggito alle lotte intestine nel suo paese, protetto dai confederati e lei come altri seppero riconoscere il suo talento musicale. Per sua natura sensibile, ancora inconsapevole della sua capacità creativa come scrittrice di fantasia, nel 1853 scrisse una poesia per Wagner in occasione del suo 40° compleanno, mentre gli echi delle sue esecuzioni risuovanvano nelle sue orecchie.

Gli Spyri, nel 1868, si trasferirono in un'abitazione di servizio vicino al lago. Johanna cominciò a scrivere casualmente, a 44 anni. Il pastore Rudulf Vietor della Liebfrauenkirche di Brema le propose di scrivere dei testi da pubblicare sul bollettino di chiesa. Nel 1871 scrisse un racconto Ein Blatt auf Vrony's Grab (Un foglio sulla tomba di Vrony) che firmò con le iniziali J.S.: metà del suo guadagno andò in beneficenza. I lettori, frequentatori della chiesa, della Germania del Nord si compiacquero e l'entusiasmo che mostrarono la incoraggiò a tal punto che tra il 1872 ed il 1873 scrisse 8 racconti.

Intanto il figlio Bernhard dimostrò di avere talento per la musica, di essere un umorista e venne iscritto al Liceo. Bernhard, pur cominciando a mostrare segni di sofferenza a causa della poliartrite, desiderò immatricolarsi alla facoltà di Scienze giuridiche. Trovò un posto fisso come segretario della società commerciale. Si recò a Lipsia per terminare gli studi, ma il peggioramento della salute lo costrinse a recarsi in Brasile, a Samedan e a Pisa per trovare un rimedio.

Johanna frequentò la scuola superiore femminile, dove nel 1875 fu preposta a responsabile della commissione di controllo e la sua nomina fu riconfermata fino al 1892 (presso la scuola insegnò Ricarda Huch, dottore in filosofia, di origine tedesca, scrittrice). Nel 1878, grazie ad una richiesta di una casa editrice di Gotha, diretta da Emil Perthes, creò delle storie per bambini dal titolo Heimatlos (Senza patria). Dal 1879 al 1884 la sua attività letteraria raccolse i frutti migliori. Venti racconti vennero stampati grazie ai quali si affermò come scrittrice per i suoi contemporanei. In Germania uscì Verschollen, nicht vergessen (Scomparso, non dimenticato) ed in seguito il primo volume sulla mitica Heidi con il titolo Heidi Lehr -u. Wanderjahre (Heidi anni di scuola e viaggio) con il sottotitolo “per i bambini e per chi li ama”. Nel 1881 diede alle stampe il secondo volume su Heidi e per la prima volta apparve come autrice con il suo vero nome. Nello stesso anno apparve Heidi kann brauchen, was es gelernt hat (Heidi può usare, ciò che ha imparato), con illustrazioni.

Nel 1882 il fratello Christian, trattenutosi per alcuni mesi in Svizzera fu spesso loro ospite, assieme alla moglie Anna Smith, di origine inglese. Grazie al fratello strinse delle relazioni di amicizia con suoi conoscenti.

Purtroppo Bernhard, dopo essersi sottoposto a diverse terapie, non trovò giovamento e a soli 29 anni, il 3.5.1884, morì. E anche il marito, dopo pochi mesi affranto tra l'altro per la perdita del figlio, morì a causa di un'infiammazione ai polmoni. Il 28.11.1885 pubblicò sull'«Allgemeine Zeitung<» il racconto Aus dem Leben eines Advocaten, dedicato al marito, secondo la Schindler, che non fece scalpore. La Schindler scrive a proposito del testo «un ritorno al passato, per fare dell'uomo che ha poco amato un monumento...per porre ogni momento malinconico del precedente matrimonio nella luce migliore».

Johanna nel 1885 cambiò casa e andò sulla Bahnhofstrasse, angolo Augustinergasse. Infine nel 1886 si trasferì in Zeltweg, 9. Intraprese numerosi viaggi verso Montreux, la riviera italiana, la montagna, il Ticino. Curò molte le sue amicizie e con intensità coltivò la scrittura. Nel 1887 visitò a Sestri Levante Anna Fries, la quale divenuta ritrattista nonostante l'opposizione del padre, dipinse il volto di Johanna - a Sestri la Fries si occupò di evangelizzazione, fondò una scuola per pittrici a Firenze e insegnò a Betsy Meyer.

L'ultima fase della vita di Johanna si discosta, secondo alcuni analisti, da quella precedente vista la sua solerzia, la sua apertura verso il mondo. Il 18.12.1890 un articolo sul «Bund» la definì «la Signora Gottfried Keller per i giovani, (in grado) di toccare i cuori dei bambini, di incantare, di ricreare, di ingentilire con il suo giusto tono». Dal 1871 al 1901 riuscì a pubblicare 31 libri, 27 volumi di racconti e 4 brochure, grazie ai quali godette di una notevole popolarità.

Nel 1901 quando si ammalò di cancro, fu curata da Marie Heim-Voegtlin, la prima laureata in Medicina svizzera. Morì il 7.7.1901.

Bisogna sottolineare che le fonti biografiche sono scarse e fino agli anni '80 del '900 le biografie presero in considerazione le sue opere letterarie in cui erano contenute descrizioni che si presumeva risalissero alle sue esperienze di vita (nel 1910 Hedwig Bleuer-Waser fu il primo biografo). Solo nel 1877 vennero pubblicate le preziose lettere che Johanna inviò e ricevette da Conrad Ferdinand Meyer, da Betsy e da Elisabeth. Bisogna tenere presente però che lei distrusse molti suoi documenti e respinse l'idea di una biografia, quando era in vita. Il 3.6.1881 scrisse a Conrad F.M.: «ho un persecutore ad Amburgo, che mi ha scritto 5 volte e vuole avere notizie biografiche su di me», che lei non intendeva rivelare. Anche la Schindler nel suo romanzo su Johanna sorvola sugli anni bui della sua vita.

Come scrittrice creò dei personaggi, cresciuti ai margini della società, bambini ammalati, che spesso non recepiscono i metodi educativi degli adulti, che nutrono la fiducia in Dio, che ricevono protezione. Per la società svizzera nascente le sue ambientazioni e le sue scelte non erano del tutto “convenzionali”.

Negli anni '30 il regista svizzero francese C. Tritten fece divenire Heidi una cittadina matura, che in nome della patria svolge il ruolo di madre ed educatrice alla scuola del paese e accoglie i figli dei rifugiati. Nel 1937 venne prodotto il film americano e Heidi fu impersonata da Shirley Temple. Nel periodo della guerra rinacque il mito di Heidi. Nel 1952 anche Luigi Comencini girò un film su Heidi con attori stranieri e poi fu la volta delle serie televisive e della commercializzazione. Negli anni '60 il mito tramontò un po' e negli anni '70 le femministe la reputarono un modello conservatore. Nel 1960 apparve la traduzione giapponese, nacque il personaggio animato e fu un delirio in Giappone. Se da un lato per alcuni critici Johanna Spyri fu un'autrice, che fantasticando sui suoi piccoli eroi, rimase «imprigionata spiritualmente nella sua infanzia», dall'altro molti bambini e bambine apprezzano il suo buon umore e la sua sensibilità ancora oggi, in tutto il mondo.

Dal 1979 gli scienziati hanno dato il nome Heidi all’asteroide 2521.