En 1995, Miller s’est installé à Los Angeles pour poursuivre une carrière d’acteur. Il a déclaré que son chemin rocailleux vers la célébrité « a été long à venir et il y avait beaucoup de bouleversements et beaucoup d’échecs et de barrages routiers, mais je ne pouvais pas m’en éloigner. J’en avais besoin comme j’avais besoin d’air, c’était juste quelque chose que je devais faire ». La première apparition de Miller à la télévision a été dans le rôle de l’étudiant devenu monstre marin Gage Petronzi dans Buffy contre les vampires (« Go Fish », 1998).
Le premier rôle principal de Miller a été en 2002 dans le rôle du sensible et introverti David Scott dans la mini-série Dinotopia d’ABC. Après avoir joué quelques rôles mineurs à la télévision, il est devenu l’une des vedettes du film The Human Stain (2003), jouant la version plus jeune du personnage d’Anthony Hopkins, Coleman Silk. Il s’identifie fortement au dilemme central du film, à propos d’un homme noir qui choisit de « passer » pour un blanc. Miller a beaucoup travaillé sur le rôle, non seulement en faisant des recherches sur Anthony Hopkins, mais aussi en se lançant dans un régime de quatre mois pour incarner Silk en tant que boxeur. Toujours en 2003, il a tenu un rôle mineur dans le film Underworld, jouant un médecin et ami du personnage Michael Corvin.
En 2005, Miller a obtenu le rôle de Michael Scofield dans le drame télévisé Prison Break de Fox Network. Il jouait le rôle d’un ingénieur en structure doué qui a créé un plan élaboré pour aider son frère, Lincoln Burrows (Dominic Purcell), à échapper au couloir de la mort après avoir été reconnu coupable d’un crime qu’il n’a pas commis. Son personnage avait un tatouage complet du haut du corps (devant et derrière). Couvrant à la fois l’avant du torse et le dos de Miller, ainsi que ses deux bras, des épaules aux poignets, les effets spéciaux du tatouage ont nécessité plus de quatre heures de travail. Sa performance dans la série lui a valu une nomination au Golden Globe Award 2005 du meilleur acteur dans une série dramatique. La série s’est arrêtée en 2009 après quatre saisons, mais une nouvelle cinquième saison de neuf épisodes est sortie le 4 avril 2017, avec Miller reprenant son rôle.
Miller est apparu dans deux clips musicaux de Mariah Carey, « It’s Like That » en tant qu’invité de la fête et « We Belong Together » en tant que son intérêt amoureux. Le réalisateur Brett Ratner, qui a réalisé l’épisode pilote de Prison Break, a également été engagé pour réaliser les deux clips de Carey. Ratner a décidé d’utiliser Miller dans les vidéos également.
En outre, Miller a fait une apparition dans la première saison 11 de Law & Order : Special Victims Unit dans le rôle du détective Nate Kendall, un détective du commissariat 24 de la police de New York. Il a également joué dans Resident Evil : Afterlife, le quatrième film de la série de films Resident Evil, basée sur la série de jeux vidéo du même nom et qui a connu un grand succès commercial ; Miller joue le rôle de Chris Redfield, l’un des protagonistes de la série de jeux vidéo.
Miller a écrit le scénario du film Stoker, ainsi qu’une préquelle de Stoker, Oncle Charlie. Il a utilisé le pseudonyme de Ted Foulke, expliquant plus tard : « Je voulais juste que les scénarios coulent ou nagent tout seuls. » Le scénario de Miller a été élu sur la « liste noire » 2010 des 10 meilleurs scénarios non produits qui faisaient alors le tour d’Hollywood. Le film raconte l’histoire d’une adolescente qui doit faire face à un oncle mystérieux après la mort de son père. Miller l’a décrit comme un « film d’horreur, un drame familial et un thriller psychologique ». Bien qu’influencé par le Dracula de Bram Stoker, Miller a précisé qu’il ne s’agit pas d’une histoire de vampires. L’Ombre d’un doute d’Hitchcock a également influencé le film, mais uniquement comme point de départ, à partir duquel l’histoire prend une direction différente. Park Chan-wook a réalisé le film, avec pour vedettes Mia Wasikowska dans le rôle de l’adolescente, Nicole Kidman dans celui de la mère, et Matthew Goode dans celui de l’oncle. Le film est sorti en 2013, et a reçu des critiques généralement positives de la part des critiques.
En juillet 2014, il a été annoncé que Miller avait rejoint le casting de la série de super-héros The Flash de la CW dans un rôle récurrent de Leonard Snart / Captain Cold. Il a fait sa première apparition dans le quatrième épisode de la première saison, et a repris son rôle dans Legends of Tomorrow. Ces séries l’ont réuni avec sa co-star de Prison Break, Dominic Purcell, qui a joué le rôle de Mick Rory / Heat Wave. Miller a quitté Legends of Tomorrow en tant que régulier de série à la fin de la première saison, mais a signé un contrat avec Warner Bros. TV pour continuer à incarner Snart simultanément dans plusieurs séries de l’Arrowverse.
Miller a écrit le scénario du film d’horreur de 2016 The Disappointments Room, produit par Voltage Pictures et Killer Films. Le film a reçu des critiques négatives de la part des critiques. Il serait en négociations pour écrire l’adaptation scénaristique du roman The Story of Edgar Sawtelle de David Wroblewski qui devrait être produit par Oprah Winfrey et Tom Hanks entre autres.
En 2020, Wentworth a annoncé qu’il n’était plus intéressé à jouer des rôles hétéro pour le cinéma ou la télévision et qu’il ne participerait pas à une sixième saison de Prison Break si celle-ci était produite.