Ludwig begann seine Karriere im Alter von neun Jahren, als er in einem Harry-Potter-Spielzeug-Werbespot mitspielte, ein Job, der es ihm ermöglichte, einen Agenten unter Vertrag zu nehmen und mehr kommerzielle Arbeit zu bekommen. Später wirkte er in Filmen wie 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). Neben dem Kino hat Ludwig auch im Fernsehen gearbeitet. Er hat in Fernsehfilmen wie A Little Thing Called Murder (2006) und in Fernsehserien wie The Dead Zone mitgewirkt. Ludwig erhielt seine Hauptrolle in The Seeker: The Dark Is Rising (2007) nach einem „zermürbenden Casting-Prozess“. Ludwig war auch in Grown Ups 2 mit Adam Sandler zu sehen. Seine nächste Hauptrolle war die des Seth – eine Hälfte eines jugendlichen, außerirdischen Bruder-Schwester-Duos – in der Filmproduktion Race to Witch Mountain (2009), in der auch Dwayne Johnson, der zum Wrestler gewordene Schauspieler, mitspielte. Seth ist die Rolle, die Ike Eisenmann im Originalfilm Escape to Witch Mountain von 1975 übernommen hat. Der Film belegte am Premierenwochenende mit geschätzten Einnahmen von 25 Millionen Dollar den ersten Platz an den Kinokassen. Trotz seines frühen Casting-Erfolgs mit The Seeker gab Ludwig in einem Interview an, dass er die Absicht hatte, eine Universität zu besuchen. In einem anderen Interview sagte der Schauspieler, dass die größte Herausforderung bei den Dreharbeiten zu The Seeker darin bestand, „die Schule und die Dreharbeiten unter einen Hut zu bringen“. Er erklärte: „Meine Schule war nicht daran gewöhnt, und ich war nicht daran gewöhnt. Es war eine unglaubliche Erfahrung, aber es war wirklich hart.“
In der Verfilmung der Hungerspiele spielte Ludwig Cato, den grimmigen männlichen Tribut aus Distrikt 2, die Hauptbedrohung für das Leben der Protagonisten während der 74sten Hungerspiele. Der Film wurde am 23. März 2012 weltweit veröffentlicht. Ludwig gewann den Preis für den besten Kampf bei den MTV Movie Awards 2012 zusammen mit Jennifer Lawrence und Josh Hutcherson, sowie den Preis für den besten Bösewicht bei den Teen Choice Awards 2012. Ludwig veröffentlichte seine erste Single „Liv It Up (Teenage Wasteland)“ am 1. März 2012. Im Jahr 2013 spielte er in den Filmen Lone Survivor und Grown Ups 2 eine Nebenrolle. 2014 wurde er Teil der Hauptbesetzung der beliebten Fernsehserie Vikings und spielte die Figur des Björn Ironside, den Sohn von Ragnar Lothbrok und Lagertha.
Im Jahr 2015 hatte er die männliche Hauptrolle in den beiden Horrorfilmen Final Girl und The Final Girls, die in keinem Zusammenhang zueinander stehen. Er spielte den pazifistischen Hacker Dorn in Bad Boys for Life (2020) und trat in The Band Perrys Musikvideo zu „Gentle on My Mind“ an der Seite der Teen Wolf-Darstellerin Shelley Hennig auf.