Ludwig kilencéves korában kezdte karrierjét, amikor szerepelt egy Harry Potter játékreklámban, ez a munka tette lehetővé számára, hogy leszerződjön egy ügynökkel, és több kereskedelmi munkát kapjon. Később olyan filmekben kapott szerepet, mint az 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). Ludwig a mozi mellett a televízióban is dolgozott. Szerepelt televíziós filmekben, mint például az A Little Thing Called Murder (2006), és olyan televíziós sorozatokban, mint a The Dead Zone. Ludwig főszerepet kapott a The Seeker című filmben: The Dark Is Rising (2007) című filmben egy “kimerítő meghallgatási folyamatot” követően. Számításai szerint 16 meghallgatáson vett részt, mielőtt végül megkapta a szerepet.” Ludwig szerepelt a Grown Ups 2-ben is Adam Sandlerrel.” Ludwig következő főszerepét Seth – egy tizenéves, földönkívüli testvérpár egyik fele – szerepében kapta a Race to Witch Mountain (2009) című filmes produkcióban, amelynek főszerepét szintén a pankrátorból lett színész, Dwayne Johnson alakította. Seth szerepét Ike Eisenmann alakította az 1975-ös eredetiben, a Menekülés a boszorkányhegyre című filmben. A film a bemutató hétvégéjén az első helyen nyitott a kasszáknál, a bevételt 25 millió dollárra becsülik. A The Seekerrel elért korai szereposztási sikere ellenére Ludwig egy interjúban jelezte, hogy szándékában állt egyetemre járni. Egy másik interjúban a színész azt mondta, hogy a legnagyobb kihívást a The Seeker forgatása során az jelentette, hogy “megpróbált zsonglőrködni az iskola és a forgatás között”. Kijelentette: “Az iskolám nem volt hozzászokva, és én sem voltam hozzászokva. Ez volt a legcsodálatosabb élmény, de nagyon nehéz volt.”
Az Éhezők viadala filmadaptációjában Ludwig játszotta Catót, a 2. körzetből származó ádáz férfitribünt, aki a 74. Éhezők viadala során a főszereplők életére jelentett elsődleges fenyegetést. A filmet 2012. március 23-án mutatták be világszerte. Ludwig a 2012-es MTV Movie Awards-on Jennifer Lawrence és Josh Hutcherson mellett elnyerte a legjobb harcosnak járó díjat, valamint a 2012-es Teen Choice Awards-on a legjobb főgonosznak járó díjat. Ludwig 2012. március 1-jén adta ki első kislemezét “Liv It Up (Teenage Wasteland)” címmel. 2013-ban közreműködött a Lone Survivor és a Grown Ups 2 című filmekben. 2014-ben a népszerű Vikingek című tévésorozat főszereplője lett, Björn Ironside karakterét alakította, aki Ragnar Lothbrok és Lagertha fia.
2015-ben férfi főszerepet játszott a Final Girl és a The Final Girls című horrorfilmekben, amelyeknek nincs közük egymáshoz. Ő játszotta a pacifista hacker Dornt a 2020-as Bad Boys for Life című filmben, és szerepelt a The Band Perry “Gentle on My Mind” című klipjében is Shelley Hennig Teen Wolf színésznő oldalán.