Ludwig a commencé sa carrière à l’âge de neuf ans en apparaissant dans une publicité pour un jouet Harry Potter, un travail qui lui a permis de signer avec un agent et d’obtenir plus de travail commercial. Plus tard, il a joué dans des films tels que 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). En plus du cinéma, Ludwig a également travaillé pour la télévision. Il a joué dans des films réalisés pour la télévision, comme A Little Thing Called Murder (2006), et dans des séries télévisées comme The Dead Zone. Ludwig a obtenu son premier rôle dans The Seeker : The Dark Is Rising (2007) après un « processus d’audition éreintant ». Il a également joué dans Grown Ups 2 avec Adam Sandler. Le rôle principal suivant de Ludwig est celui de Seth – la moitié d’un duo frère-sœur adolescent et extraterrestre – dans la production cinématographique de Race to Witch Mountain (2009), avec également Dwayne Johnson, le lutteur devenu acteur. Seth est le rôle joué par Ike Eisenmann dans l’original de 1975, Escape to Witch Mountain. Le film a été classé numéro un au box-office le week-end de sa sortie, avec des recettes estimées à 25 millions de dollars. Malgré son succès précoce au casting du Seeker, Ludwig indique dans une interview qu’il a l’intention d’aller à l’université. Dans une autre interview, l’acteur a déclaré que le plus grand défi du tournage de The Seeker était d’essayer de « jongler entre l’école et le tournage ». Il a déclaré : « Mon école n’était pas habituée à ça, et je n’étais pas habitué à ça. C’était l’expérience la plus incroyable, mais c’était vraiment difficile. »
Dans l’adaptation cinématographique de The Hunger Games, Ludwig a joué le rôle de Cato, le féroce tribut masculin du District 2, la principale menace pour la vie des protagonistes lors des 74e Hunger Games. Le film est sorti dans le monde entier le 23 mars 2012. Ludwig a remporté le prix du meilleur combat aux MTV Movie Awards 2012 aux côtés de Jennifer Lawrence et Josh Hutcherson, ainsi que le prix du meilleur méchant aux Teen Choice Awards 2012. Ludwig a sorti son premier single « Liv It Up (Teenage Wasteland) » le 1er mars 2012. En 2013, il a joué dans les films Lone Survivor et Grown Ups 2. En 2014, il a fait partie du casting principal de la populaire série télévisée Vikings, jouant le personnage de Björn Ironside, le fils de Ragnar Lothbrok et de Lagertha.
En 2015, il avait le premier rôle masculin dans les deux films d’horreur Final Girl et The Final Girls, qui n’ont aucun lien entre eux. Il a joué le hacker pacifiste Dorn dans Bad Boys for Life de 2020, et est également apparu dans le clip de The Band Perry pour « Gentle on My Mind » aux côtés de l’actrice de Teen Wolf Shelley Hennig.