Ludwig begyndte sin karriere som niårig, da han medvirkede i en reklamefilm for Harry Potter-legetøj, et job, der gjorde det muligt for ham at få en agent og få mere kommercielt arbejde. Senere blev han medvirket i film som Air Bud: World Pup (2000), MXP: Most Extreme Primate (2003), Scary Godmother: The Revenge of Jimmy (2005), Eve and the Fire Horse (2005), The Sandlot: Heading Home (2007). Ud over film har Ludwig også arbejdet på tv. Han har medvirket i film lavet til tv, såsom A Little Thing Called Murder (2006), og tv-serier såsom The Dead Zone. Ludwig fik sin hovedrolle i The Seeker: The Dark Is Rising (2007) efter en “opslidende auditionsproces”. Efter hans eget udsagn havde han 16 auditions, før han endelig blev castet.Ludwig var også med i Grown Ups 2 med Adam Sandler.Ludwigs næste hovedrolle kom i rollen som Seth – den ene halvdel af en teenage, alien-bror-søster-duo – i filmproduktionen Race to Witch Mountain (2009), også med Dwayne Johnson, wrestleren, der er blevet skuespiller, i hovedrollen. Seth er den rolle, som Ike Eisenmann spillede i den originale film fra 1975, Escape to Witch Mountain, som blev skabt af Ike Eisenmann. Filmen åbnede som nummer et i biografen den weekend, hvor den havde premiere, med en indtægt på anslået 25 millioner dollars. På trods af sin tidlige casting-succes med The Seeker oplyste Ludwig i et interview, at det var hans hensigt at gå på universitetet. I et andet interview sagde skuespilleren, at det mest udfordrende ved optagelsen af The Seeker var at forsøge “at jonglere med skolen, mens han filmede”. Han udtalte: “Min skole var ikke vant til det, og jeg var heller ikke vant til det. Det var den mest fantastiske oplevelse, men det var virkelig hårdt.”
I filmatiseringen af The Hunger Games spillede Ludwig Cato, den voldsomme mandlige tributant fra Distrikt 2, den primære trussel mod hovedpersonernes liv under de 74. Hunger Games. Filmen blev udgivet på verdensplan den 23. marts 2012. Ludwig vandt prisen for bedste kamp ved MTV Movie Awards 2012 sammen med Jennifer Lawrence og Josh Hutcherson, samt prisen for bedste skurk ved Teen Choice Awards 2012. Ludwig udgav sin første single “Liv It Up (Teenage Wasteland)” den 1. marts 2012. I 2013 spillede han med i filmene Lone Survivor og Grown Ups 2. I 2014 blev han en del af hovedrollerne i den populære tv-serie Vikings, hvor han spillede karakteren Björn Ironside, søn af Ragnar Lothbrok og Lagertha.
I 2015 havde han den mandlige hovedrolle i både gyserfilmene Final Girl og The Final Girls, som ikke har noget med hinanden at gøre. Han spillede den pacifistiske hacker Dorn i 2020’s Bad Boys for Life og medvirkede også i The Band Perrys musikvideo til “Gentle on My Mind” sammen med Teen Wolf-skuespillerinden Shelley Hennig.