Il fait également ses débuts dans la LNH au cours de sa première saison pro en prenant part à trois rencontres avec Chicago, inscrivant du même coup ses deux premiers buts dans la grande ligue.
Il décroche un poste permanent avec les Blackhawks en 2010-2011. Après avoir aidé les Hawks à remporter la Coupe Stanley en 2013, il prolonge son contrat avec l'équipe de quatre ans pour 16 millions de dollars[2]. Il fait graver son nom sur le trophée une deuxième fois en 2015 lorsque son équipe bat le Lightning de Tampa Bay en finale.
Il connaît une saison 2015-2016 difficile avec les Blackhawks; il ne réalise que deux mentions d'aide en 25 parties et passe la majorité de la saison dans la LAH avec les IceHogs, le joueur ayant été placé au ballotage deux fois sans être réclamé par une équipe.
Byckell est diagnostiqué avec une sclérose en plaques en , il ne prend part qu'à onze rencontres avec les Hurricanes et dix autres avec leur club affilié avant d'annoncer son retrait de la compétition au terme de la saison[4].
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