Ludwig zahájil svou kariéru v devíti letech, kdy se objevil v reklamě na hračky Harryho Pottera, což mu umožnilo podepsat smlouvu s agentem a získat další komerční práci. Později byl obsazen do filmů jako Air Bud: World Pup (2000), MXP: Most Extreme Primate (2003), Scary Godmother: (2005), Eva a ohnivý kůň (2005), The Sandlot: Heading Home (2007). Kromě filmu působil Ludwig také v televizi. Účinkoval ve filmech natočených pro televizi, jako je Malá věc jménem vražda (2006), a v televizních seriálech, např. Hlavní roli Ludwig získal ve filmu Hledač: (The Dark Is Rising, 2007) po „vyčerpávajícím konkurzu“. Podle jeho počtů absolvoval 16 konkurzů, než byl nakonec obsazen.Ludwig hrál také ve filmu Grown Ups 2 s Adamem Sandlerem.Další hlavní role Ludwiga přišla v roli Setha – jedné poloviny dospívajícího, mimozemského bratrsko-sesterského dua – ve filmové produkci Race to Witch Mountain (2009), kde hrál také Dwayne Johnson, wrestler, který se stal hercem. Setha ztvárnil Ike Eisenmann v původním filmu Útěk na horu čarodějnic z roku 1975. Film se o víkendu, kdy měl premiéru, umístil na prvním místě v pokladnách kin s tržbami odhadovanými na 25 milionů dolarů. Navzdory brzkému úspěchu s obsazením filmu Hledač Ludwig v jednom rozhovoru naznačil, že jeho záměrem bylo studovat na univerzitě. V jiném rozhovoru herec uvedl, že nejnáročnější na natáčení filmu The Seeker byla snaha „skloubit školu s natáčením“. Prohlásil: „Moje škola na to nebyla zvyklá a já na to nebyl zvyklý. Byla to ta nejúžasnější zkušenost, ale bylo to opravdu těžké.“
Ve filmové adaptaci Hladových her si Ludwig zahrál Cata, zuřivého mužského tributa z druhého okrsku, který během 74. ročníku Hladových her představuje hlavní hrozbu pro životy hlavních hrdinů. Film byl celosvětově uveden 23. března 2012. Ludwig získal cenu za nejlepší boj na MTV Movie Awards 2012 spolu s Jennifer Lawrence a Joshem Hutchersonem a také cenu za nejlepšího padoucha na Teen Choice Awards 2012. Ludwig vydal 1. března 2012 svůj první singl „Liv It Up (Teenage Wasteland)“. V roce 2013 si zahrál ve filmech Osamělý trosečník a Grown Ups 2. V roce 2014 se stal součástí hlavního obsazení populárního televizního seriálu Vikingové, kde ztvárnil postavu Björna Ironsidea, syna Ragnara Lothbroka a Lagerthy.
V roce 2015 měl hlavní mužskou roli v obou hororech Final Girl a The Final Girls, které spolu nesouvisí. V roce 2020 si zahrál pacifistického hackera Dorna ve filmu Bad Boys for Life a objevil se také ve videoklipu skupiny The Band Perry k písni „Gentle on My Mind“ po boku herečky z Teen Wolf Shelley Hennig.