En , Trayvon Bromell se classe deuxième du 100 m des Championnats NCAA, derrière le Canadien Andre De Grasse[7]. Lors des demi-finales, il établit la meilleure performance de tous les temps pour un athlète âgé de moins de dix-neuf ans[8] avec 9 s 90 (+ 1,7 m/s)[9]. Lors de ces championnats universitaires, il porte son record personnel du 200 m à 20 s 03. Il participe fin juin aux championnats des États-Unis, à Eugene, et réalise dès les séries le temps de 9 s 84 (+ 1,3 m/s) sur 100 m, se classant parmi les dix sprinteurs les plus rapides de tous les temps[10]. Il termine deuxième de la finale, derrière Tyson Gay, en 9 s 96[11],[12].
Sélectionné pour les championnats du monde de Pékin, il remporte la médaille de bronze du 100 m dans le temps de 9 s 92, terminant derrière Usain Bolt et Justin Gatlin, et ex-æquo avec le Canadien Andre De Grasse[13]. Il décide de passer professionnel à la fin de la saison, tout comme son camarade de podium Andre De Grasse[14].
Champion du monde en salle sur 60 m (2016)
Le , Bromell participe aux championnats du monde en salle de Portland. En finale, l'Américain coupe la ligne en 6 s 47 (record personnel) et décroche le titre mondial devant le favori Jamaïcain Asafa Powell (6 s 50, 6 s 44 en séries) et le Barbadien Ramon Gittens (6 s 51)[15]. Deuxième des sélections olympiques américaines sur 100 m en 9 s 84, son meilleur temps de la saison, il vise un podium aux Jeux Olympiques de Rio de Janeiro mais termine huitième et dernier de la finale en 10 s 06. Sur le relais 4 x 100 m, lui et ses coéquipiers américains terminent initialement à la troisième place mais sont plus tard disqualifiés pour un passage de témoin hors-zone entre Mike Rodgers et Justin Gatlin. Lors de cette course, Bromell aggrave une blessure au tendon d'Achille contractée au printemps et quitte la piste en fauteuil roulant[16].
Le , il est éliminé dès les séries des Championnats des Etats-Unis en 10 s 22[17], ce qui sera sa seule course de l'année.
Retour en 2020
Après des saisons quasi-blanches en 2017, 2018 et 2019 en raison de blessures à répétition, Trayvon Bromell revient à son plus haut niveau en 2020. Lors de son premier meeting de reprise à Montverde en Floride le , il réalise le meilleur temps des participants sur 100 m dans des conditions régulières (+1,6 m/s) en 10 s 04[18]. Il continue sur sa lancée le en établissant la deuxième meilleure performance mondiale de l'année sur la ligne droite avec le temps de 9 s 90, réalisé en séries du meeting de Clermont en Floride[19]. Il court ensuite en 9 s 87 le 10 août, mais son temps n'est pas homologué en raison d'un trop fort vent favorable (+ 2,5 m/s).
Déceptions olympiques en 2021
Dès sa première course en salle de l'année 2021, l'Américain réalise la meilleure performance mondiale du 60 m avec 6 s 48 à Fayetteville le 24 janvier, à un centième seulement de son record personnel établi en 2016[20]. En avril, sur 100 m, il signe la meilleure performance mondiale de l'année en 9 s 88 sur la piste de Jacksonville (Floride), confirmant son retour au plus haut niveau[21]. Un peu plus d'un mois plus tard, il bat son record personnel en 9 s 77 à Miramar (son ancien record de 9 s 84 datait de 2015), devenant du même coup le 7ème performeur mondial de tous les temps sur cette distance[22]. Il continue sur sa lancée aux sélections olympiques américaines, où il remporte largement la finale du 100 m en 9 s 80 devant Ronnie Baker et Fred Kerley, après avoir réalisé 9 s 90 en demi-finale en coupant son effort dans les derniers mètres[23].
Grand favori pour le titre olympique sur 100 m à Tokyo, Bromell se fait peur dès les séries en se classant seulement quatrième en 10 s 05, réussissant tout de même à se qualifier au temps[24]. Mais en demi-finale, il ne peut faire mieux qu'une troisième place en 10 s 00, battu au millième par le Nigérian Enoch Adegoke, ce qui est insuffisant pour se qualifier en finale[25]. Eliminé dès les demi-finales du 100 m, Bromell l'est également sur le relais 4 x 100 m quelques jours plus tard, lui et ses coéquipiers ne terminant qu'à la sixième place de leur course en 38 s 10[26].
Lors de son dernier meeting de la saison à Nairobi le 18 septembre, il améliore d'un centième son record personnel sur 100 m pour le porter à 9 s 76[27]. Il établit la meilleure performance mondiale de l'année 2021 sur la distance et devient le sixième performeur de tous les temps, à égalité avec son compatriote Christian Coleman[28].
Nouvelle médaille de bronze sur 100 m à Eugene (2022)
Trayvon Bromell remporte la médaille de bronze du 100 m lors des championnats du monde 2022, à Eugene, devancé par ses deux compatriotes Fred Kerley et Marvin Bracy[29]. Auteur de 9 s 88, il est seulement à deux centièmes de Kerley et à deux millièmes de Bracy. Il s'agit de sa deuxième médaille de bronze planétaire sur 100 m, sept ans après la première à Pékin.
Saison 2023
Le 11 février 2023, l'Américain signe le temps de 6 s 42 sur 60 m à Clemson en Caroline du Sud. Il améliore ainsi son record personnel datant de 2016 et devient le sixième meilleur performeur de tous les temps sur la distance[30].