Ludwig aloitti uransa yhdeksänvuotiaana, kun hän esiintyi Harry Potter -lelumainoksessa, jonka ansiosta hän sai sopimuksen agentin kanssa ja sai lisää kaupallisia töitä. Myöhemmin hän sai rooleja elokuvissa, kuten 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). Elokuvan lisäksi Ludwig on työskennellyt myös televisiossa. Hän on esiintynyt televisiolle tehdyissä elokuvissa, kuten A Little Thing Called Murder (2006), ja televisiosarjoissa, kuten The Dead Zone. Ludwig sai pääroolinsa elokuvassa The Seeker: The Dark Is Rising (2007) ”uuvuttavan koe-esiintymisprosessin” jälkeen. Hänen laskujensa mukaan hän kävi 16 koe-esiintymistä ennen kuin hänet lopulta valittiin rooliin.” Ludwig oli mukana myös elokuvassa Grown Ups 2 Adam Sandlerin kanssa.” Seuraavan pääroolin Ludwig sai Sethin roolissa – toisena puoliskona teini-ikäisestä, avaruusolennoista koostuvasta veli-sisko-kaksikosta – elokuvaproduktiossa Race to Witch Mountain (2009), jonka pääosassa näytteli myös painijasta näyttelijäksi muuttunut Dwayne Johnson. Seth on Ike Eisenmannin esittämä rooli vuoden 1975 alkuperäisessä elokuvassa Pako Witch Mountainiin. Elokuva avautui ensi-iltaviikonloppuna lipputulojen ykköseksi, ja sen tulot olivat arviolta 25 miljoonaa dollaria. Huolimatta varhaisesta valintamenestyksestään The Seeker -elokuvassa Ludwig ilmoitti haastattelussa, että hänen aikomuksenaan oli opiskella yliopistossa. Toisessa haastattelussa näyttelijä sanoi, että haastavinta The Seekerin kuvauksissa oli yrittää ”jongleerata koulun kanssa kuvausten aikana”. Hän totesi: ”Kouluni ei ollut tottunut siihen, enkä minä ollut tottunut siihen. Se oli upein kokemus, mutta se oli todella vaikeaa.”
Nälkäpelien elokuvasovituksessa Ludwig esitti Cato, hurjaa miespuolista tribuuttia piiristä 2, joka on päähenkilöiden elämää uhkaava pääuhka 74. Nälkäpelin aikana. Elokuva julkaistiin maailmanlaajuisesti 23. maaliskuuta 2012. Ludwig voitti parhaan taistelun palkinnon vuoden 2012 MTV Movie Awardsissa yhdessä Jennifer Lawrencen ja Josh Hutchersonin kanssa sekä parhaan konnan palkinnon vuoden 2012 Teen Choice Awardsissa. Ludwig julkaisi ensimmäisen singlensä ”Liv It Up (Teenage Wasteland)” 1. maaliskuuta 2012. Vuonna 2013 hän näytteli elokuvissa Lone Survivor ja Grown Ups 2. Vuonna 2014 hänestä tuli osa suositun televisiosarjan Vikings pääosan esittäjä, joka näytteli Björn Ironsidea, Ragnar Lothbrokin ja Lagerthan poikaa.
Vuonna 2015 hänellä oli miespääosa molemmissa kauhuelokuvissa Final Girl ja The Final Girls, jotka eivät liity toisiinsa. Hän näytteli pasifistista hakkeri Dornia vuoden 2020 Bad Boys for Life -elokuvassa ja esiintyi myös The Band Perryn musiikkivideossa kappaleeseen Gentle on My Mind yhdessä Teen Wolf -näyttelijä Shelley Hennigin kanssa.