Ludwig comenzó su carrera a la edad de nueve años cuando apareció en un anuncio de juguetes de Harry Potter, un trabajo que le permitió firmar con un agente y obtener más trabajos comerciales. Más tarde participó en películas como Air Bud: World Pup (2000), MXP: Most Extreme Primate (2003), Scary Godmother: La venganza de Jimmy (2005), Eva y el caballo de fuego (2005), The Sandlot: Heading Home (2007). Además del cine, Ludwig también ha trabajado en televisión. Ha actuado en películas realizadas para televisión, como A Little Thing Called Murder (2006), y en series de televisión como The Dead Zone. Ludwig obtuvo su papel protagonista en The Seeker: The Dark Is Rising (2007) tras un «agotador proceso de audición». El siguiente papel protagonista de Ludwig fue el de Seth, la mitad de un dúo de hermanos extraterrestres adolescentes, en la producción cinematográfica Race to Witch Mountain (2009), también protagonizada por Dwayne Johnson, el luchador convertido en actor. Seth es el papel originado por Ike Eisenmann en el original de 1975, Escape to Witch Mountain. La película abrió en el número uno de la taquilla el fin de semana de su estreno, con una recaudación estimada en 25 millones de dólares. A pesar de su temprano éxito en el reparto de El buscador, Ludwig indicó en una entrevista que su intención era ir a la universidad. En otra entrevista, el actor dijo que lo más difícil del rodaje de The Seeker fue intentar «compaginar los estudios con el rodaje». Declaró: «Mi escuela no estaba acostumbrada a ello, y yo tampoco. Fue la experiencia más increíble, pero fue muy duro»
En la adaptación cinematográfica de Los Juegos del Hambre, Ludwig interpretó a Cato, el feroz tributo masculino del Distrito 2, la principal amenaza para la vida de los protagonistas durante los 74º Juegos del Hambre. La película se estrenó en todo el mundo el 23 de marzo de 2012. Ludwig ganó el premio a la mejor pelea en los MTV Movie Awards 2012 junto a Jennifer Lawrence y Josh Hutcherson, así como el premio al mejor villano en los Teen Choice Awards 2012. Ludwig lanzó su primer single «Liv It Up (Teenage Wasteland)» el 1 de marzo de 2012. En 2013, coprotagonizó las películas Lone Survivor y Grown Ups 2. En 2014, pasó a formar parte del elenco principal de la popular serie de televisión Vikingos, interpretando el personaje de Björn Ironside, el hijo de Ragnar Lothbrok y Lagertha.
En 2015, tuvo el protagonismo masculino en las películas de terror Final Girl y The Final Girls, que no están relacionadas entre sí. Interpretó al hacker pacifista Dorn en Bad Boys for Life de 2020, y también apareció en el vídeo musical de The Band Perry para «Gentle on My Mind» junto a la actriz de Teen Wolf Shelley Hennig.