Байрон в раннем возрасте поступил на флот, в 18-летнем возрасте мичманом участвовал в кругосветном плавании коммодора Ансона. Во время этого плавания, 14 мая 1741 года, корабль, на котором плавал Джордж Байрон, HMS Wager, потерпел кораблекрушение у берегов Патагонии. Оставшиеся в живых решили разделиться на две группы, одна отправилась в Рио-де-Жанейро, а группа Джона Байрона отправилась на север для встречи с испанцами. В дальнейшем Байрон осветил все эти события в своей книге «Рассказы Благородного Джона Байрона», которая имела большой успех у британской публики.
В декабре 1746 года Байрон получил в командование корабль HMS Siren в качестве полного капитана.
В 1760 году Байрон был послан в составе эскадры английских кораблей для атаки на французские укрепления Луисбурга. В июле того же года он победил французскую флотилию, посланную для освобождения Новой Франции.
С июня 1764 года по май 1766 года совершил кругосветное плавание как капитан корабля HMS Dolphin. В 1765 году он посетил и объявил Фолклендские острова территорией Великобритании по праву первооткрывателя (коим он на самом деле не являлся). Эти его действия привели к напряжению в отношениях Великобритании и Испании и чуть было не привели к новой войне: обе страны снаряжали флот, чтобы объявить суверенитет над островами. В этом плавании Джон Байрон открыл острова Туамоту, Токелау, которым он дал название «Острова герцога Йоркского», а также Острова Гилберта и посетил остров Тиниан.
В 1769 год Байрон был назначен губернатором Ньюфаундленда и пробыл на этом посту около трёх лет. Звание контр-адмирала он получил 31 марта 1775 года, а вице-адмирала — 29 января 1778 году.
В 1778 и 1779 годах являлся главнокомандующим на Подветренной станции в Вест Индии во время Войны за независимость США. В июле 1779 неудачно атаковал французский флот в Битве у Гренады.
Джон Байрон женился 8 сентября 1747 года на Софии Тревеньон. У них было два сына и семь дочерей, из которых три умерли в младенчестве. Их старший сын, тоже Джон Байрон, был отцом знаменитого британского поэта лорда Джорджа Байрона.
В честь Джона Байрона назван мыс в Австралии.
Открыл острова в Тихом океане: