Im Jahr 1995 zog Miller nach Los Angeles, um eine Schauspielkarriere zu verfolgen. Er hat erklärt, dass sein steiniger Weg zum Ruhm „lange auf sich warten ließ und es eine Menge Rückschläge und eine Menge Misserfolge und Straßensperren gab, aber ich konnte nicht davon weggehen. Ich brauchte es wie die Luft zum Atmen, es war einfach etwas, das ich tun musste.“ Millers erster Fernsehauftritt war die Rolle des zum Seeungeheuer gewordenen Studenten Gage Petronzi in Buffy the Vampire Slayer („Go Fish“, 1998).
Millers erste Hauptrolle war 2002 die des sensiblen, introvertierten David Scott in der ABC-Miniserie Dinotopia. Nach einigen kleineren Fernsehrollen spielte er 2003 in dem Film The Human Stain die jüngere Version der Anthony-Hopkins-Figur Coleman Silk mit. Er identifizierte sich stark mit dem zentralen Dilemma des Films, in dem es um einen schwarzen Mann geht, der sich entscheidet, als Weißer durchzugehen“. Miller arbeitete intensiv an der Rolle, indem er nicht nur über Anthony Hopkins recherchierte, sondern sich auch auf eine viermonatige Kur einließ, um Silk akkurat als Boxer darzustellen. Ebenfalls 2003 hatte er eine kleine Rolle in dem Film Underworld, in dem er einen Arzt und Freund der Figur Michael Corvin spielte.
Im Jahr 2005 wurde Miller als Michael Scofield in dem Fernsehdrama Prison Break von Fox Network besetzt. Er spielte die Rolle eines begabten Bauingenieurs, der einen ausgeklügelten Plan entwirft, um seinem Bruder Lincoln Burrows (Dominic Purcell) zu helfen, dem Todestrakt zu entkommen, nachdem er eines Verbrechens für schuldig befunden wurde, das er nicht begangen hat. Seine Figur hatte eine vollständige Tätowierung des Oberkörpers (Vorder- und Rückseite). Die Spezialeffekte für die Tätowierung, die sowohl die Vorderseite von Millers Torso als auch seinen Rücken und beide Arme von den Schultern bis zu den Handgelenken bedeckte, dauerten über vier Stunden. Für seine Leistung in der Serie wurde er 2005 für den Golden Globe Award als bester Darsteller in einer Dramaserie nominiert. Die Serie wurde 2009 nach vier Staffeln eingestellt, aber am 4. April 2017 wurde eine neue, neun Episoden umfassende fünfte Staffel veröffentlicht, in der Miller seine Rolle wieder aufnimmt.
Miller trat in zwei Musikvideos von Mariah Carey auf, in „It’s Like That“ als Partygast und in „We Belong Together“ als ihr Liebespartner. Regisseur Brett Ratner, der bei der Pilotfolge von Prison Break Regie führte, wurde auch für die Regie der beiden Carey-Videos verpflichtet. Ratner entschied sich, Miller auch in den Videos einzusetzen.
Außerdem hatte Miller eine Gastrolle in der Staffel 11-Premiere von Law & Order: Special Victims Unit als Detective Nate Kendall, einem Detective vom Revier 24 des New York City Police Department. Er spielte auch in Resident Evil: Afterlife mit, dem vierten Film der kommerziell erfolgreichen Resident Evil-Filmreihe, die auf der gleichnamigen Videospielserie basiert; Miller spielt Chris Redfield, einen der Protagonisten der Videospielserie.
Miller schrieb das Drehbuch für den Film Stoker, sowie ein Prequel zu Stoker, Uncle Charlie. Er benutzte das Pseudonym Ted Foulke und erklärte später: „Ich wollte nur, dass die Drehbücher für sich selbst stehen oder schwimmen.“ Millers Drehbuch wurde 2010 auf die „Schwarze Liste“ der 10 besten unproduzierten Drehbücher gewählt, die damals in Hollywood die Runde machten. In dem Film geht es um ein Mädchen im Teenageralter, das sich nach dem Tod ihres Vaters mit einem mysteriösen Onkel auseinandersetzen muss. Miller beschrieb den Film als „Horrorfilm, Familiendrama und psychologischen Thriller“. Obwohl er von Bram Stokers Dracula beeinflusst ist, hat Miller klargestellt, dass es sich bei Stoker nicht um eine Vampirgeschichte handelt. Auch Hitchcocks Shadow of a Doubt hat den Film beeinflusst, allerdings nur als Ausgangspunkt, von dem aus die Geschichte eine andere Richtung einschlägt. Park Chan-wook führte Regie, die Hauptrollen spielen Mia Wasikowska als Teenager, Nicole Kidman als Mutter und Matthew Goode als Onkel. Der Film kam 2013 in die Kinos und erhielt allgemein positive Kritiken.
Im Juli 2014 wurde bekannt gegeben, dass Miller in einer wiederkehrenden Rolle als Leonard Snart / Captain Cold zur Besetzung der CW-Superheldenserie The Flash gehört. Seinen ersten Auftritt hatte er in der vierten Folge der ersten Staffel und wiederholte seine Rolle in Legends of Tomorrow. Diese Sendungen brachten ihn mit seinem Prison Break Co-Star Dominic Purcell zusammen, der Mick Rory / Heat Wave darstellte. Miller verließ Legends of Tomorrow als Serienmitglied am Ende der ersten Staffel, unterzeichnete aber einen Vertrag mit Warner Bros. TV, um Snart weiterhin in mehreren Serien im Arrowverse zu spielen.
Miller schrieb das Drehbuch für den Horrorfilm The Disappointments Room von 2016, produziert von Voltage Pictures und Killer Films. Der Film erhielt negative Kritiken von Kritikern. Berichten zufolge steht er in Verhandlungen, um die Drehbuchadaption des Romans The Story of Edgar Sawtelle von David Wroblewski zu schreiben, die unter anderem von Oprah Winfrey und Tom Hanks produziert werden soll.
Im Jahr 2020 gab Wentworth bekannt, dass er nicht mehr daran interessiert sei, direkte Rollen für Film oder Fernsehen zu spielen und dass er nicht an einer sechsten Staffel von Prison Break teilnehmen würde, falls diese produziert würde.