I 1995 flyttede Miller til Los Angeles for at forfølge en skuespillerkarriere. Han har udtalt, at hans stenede vej til stjernestatus “var lang tid undervejs, og der var en masse optur og en masse fiaskoer og vejspærringer, men jeg kunne ikke gå væk fra det. Jeg havde brug for det, som jeg havde brug for luft, det var bare noget, jeg var nødt til at gøre.” Millers første tv-optræden var som den studerende, der blev til søuhyre Gage Petronzi i Buffy the Vampire Slayer (“Go Fish”, 1998).
Millers første hovedrolle var i 2002 som den følsomme, indadvendte David Scott i ABC’s miniserie Dinotopia. Efter at have optrådt i et par mindre tv-roller gik han videre til at spille med i filmen The Human Stain fra 2003, hvor han spillede den yngre version af Anthony Hopkins’ karakter, Coleman Silk. Han identificerede sig stærkt med filmens centrale dilemma, der handler om en sort mand, der vælger at “passere” som hvid. Miller arbejdede intensivt på rollen, ikke kun ved at undersøge Anthony Hopkins, men også ved at gå i gang med en fire måneders kur for at portrættere Silk nøjagtigt som en bokser. I 2003 havde han også en mindre rolle i filmen Underworld, hvor han spillede en læge og ven af karakteren Michael Corvin.
I 2005 fik Miller rollen som Michael Scofield i Fox Network’s tv-drama Prison Break. Han spillede rollen som en begavet bygningsingeniør, der skabte en udspekuleret plan for at hjælpe sin bror, Lincoln Burrows (Dominic Purcell), med at undslippe dødsgangen efter at være blevet fundet skyldig i en forbrydelse, som han ikke havde begået. Hans karakter havde en hel overkropstatovering (for og bag). Tatoveringen dækkede både Millers forreste del af torsoen og ryggen samt begge arme fra skuldre til håndled, og det tog over fire timer at påføre special effects til tatoveringen. Hans præstation i showet indbragte ham en Golden Globe Award-nominering for bedste skuespiller i en dramatisk serie i 2005. Serien blev afsluttet i 2009 efter fire sæsoner, men en ny femte sæson på ni episoder blev udgivet den 4. april 2017, hvor Miller gentog sin rolle.
Miller medvirkede i to Mariah Carey-musikvideoer, “It’s Like That” som festgæst og “We Belong Together” som hendes kærlighedsinteresse. Instruktøren Brett Ratner, der instruerede pilotafsnittet af Prison Break, blev også hyret til at instruere de to Carey-videoer. Ratner besluttede sig for også at bruge Miller i videoerne.
Dertil kommer, at Miller gæste medvirkede i sæson 11-premieren på Law & Order: Special Victims Unit som kriminalassistent Nate Kendall, en kriminalassistent fra distrikt 24 i New York City Police Department. Han medvirkede også i Resident Evil: Afterlife, den fjerde film i den kommercielt succesfulde Resident Evil-filmserie baseret på videospilserien af samme navn; Miller spiller Chris Redfield, en af hovedpersonerne i videospilserien.
Miller skrev manuskriptet til filmen Stoker, samt til en prequel til Stoker, Uncle Charlie. Han brugte pseudonymet Ted Foulke og forklarede senere: “Jeg ville bare have, at manuskripterne skulle synke eller svømme på egen hånd”. Millers manuskript blev i 2010 stemt ind på “Black List” over de 10 bedste uproducerede manuskriptmanuskripter, der dengang var på vej rundt i Hollywood. Filmen handler om en teenagepige, der må tage sig af en mystisk onkel efter sin fars død. Miller beskrev den som en “gyserfilm, et familiedrama og en psykologisk thriller”. Selv om den er påvirket af Bram Stokers Dracula, har Miller præciseret, at Stoker ikke er en vampyrhistorie. Hitchcocks Shadow of a Doubt har også påvirket filmen, men kun som et springbræt, hvorfra historien tager en anden retning. Park Chan-wook har instrueret, med stjernerne Mia Wasikowska som teenageren, Nicole Kidman som moderen og Matthew Goode som onkel. Filmen blev udgivet i 2013 og fik generelt positive anmeldelser fra kritikerne.
I juli 2014 blev det annonceret, at Miller havde sluttet sig til castet af The CW-superhelteserien The Flash i en tilbagevendende rolle som Leonard Snart / Captain Cold. Han havde sin første optræden i fjerde afsnit af første sæson og gentog sin rolle i Legends of Tomorrow. Disse serier genforenede ham med sin Prison Break-medspiller Dominic Purcell, som portrætterede Mick Rory / Heat Wave. Miller forlod Legends of Tomorrow som fastansat i slutningen af første sæson, men underskrev en kontrakt med Warner Bros. TV om at fortsætte med at portrættere Snart samtidig i flere serier i Arrow-universet.
Miller skrev manuskriptet til gyserfilmen The Disappointments Room fra 2016, der blev produceret af Voltage Pictures og Killer Films. Filmen modtog negative anmeldelser fra kritikerne. Han er angiveligt i forhandlinger om at skrive manuskriptadaptionen af romanen The Story of Edgar Sawtelle af David Wroblewski, der skal produceres af blandt andre Oprah Winfrey og Tom Hanks.
I 2020 meddelte Wentworth, at han ikke længere var interesseret i at spille heteroroller til film eller tv, og at han ikke ville medvirke i en sjette sæson af Prison Break, hvis den blev produceret.