В 12 лет его приглашают в телевизионное шоу "Mickey Mouse Club", где он знакомится со своим будущим товарищем по группе N’Synс Джей Си Чейсизом, а также с Бритни Спирс и Кристиной Агилерой, которые тоже принимают участие в шоу.
Восхождение к вершине славы Джастин начинает в группе N'Sync. Являясь самым молодым участником коллектива, он успевает работать в группе, продолжает учиться в школе и посещает специальные курсы для молодых артистов. В 1998 году коллектив записывает дебютный одноименный альбом “N’Sync”. В октябре этого же года альбом попадает на второе место в хит-параде США. Настоящее признание и успех приходят лишь в 2000 году - группа получает бриллиантовый статус - по всему миру продается более 10 млн. копий дебютного альбома. Релиз “No Strings Attached”, вышедшего в 2000 году, удваивает успех. Тимберлейк становится самым заметным участником мультиплатинового бой-бэнда, во многом благодаря своим романтическим отношениям с Бритни Спирс.

В июле 2001 года выходит новый альбом группы под названием “Celebrity”, который становится большим событием в мире поп-музыки. Успех альбома определяется такими хитам, как “Pop”, “Gone” и “Girlfriend”, автором которых является Тимберлейк. Здесь по-настоящему проявляется его сочинительский талант. Сингл “Pop” признается самым удачным синглом года и получает 4 награды на MTV VMA 2001.

В ноябре 2002 года выходит его дебютный альбом “Justified”. В записи альбома Джастину помогли такие большие музыкальные звезды, как Timbaland, Bubba Sparxxx и ребята из The Neptunes. Помимо r'n'b, хип-хопа, рока и блюза в этом альбоме хорошо чувствуется влияние творчества Майкла Джексона 80-х годов. Первая самостоятельная работа Тимберлейка является попыткой уйти от всего того, что он делал раньше в составе N'Sync, чтобы создавать по-настоящему серьезную поп-музыку для более взрослой аудитории.

В 2003 году на ежегодной церемонии вручения наград MTV Video Music Awards Тимберлейк был удостоен сразу трех наград – клип “Cry Me a River” получил приз в номинациях: «Лучшее мужское видео» и «Лучшее поп-видео», а клип на песню “Rock Your Body” стал победителем в номинации «Лучшее танцевальное видео». В этом же году на проходившем в шотландском Эдинбурге MTV Europe Music Awards Тимберлейк стал единственным исполнителем, получившим 3 награды - «Лучший поп-исполнитель», «Лучший исполнитель» и «Лучший альбом».