Ludwig ha iniziato la sua carriera all’età di nove anni quando è apparso in una pubblicità di giocattoli di Harry Potter, un lavoro che gli ha permesso di firmare con un agente e ottenere altri lavori commerciali. In seguito è stato scritturato in film come Air Bud: World Pup (2000), MXP: Most Extreme Primate (2003), Scary Godmother: La vendetta di Jimmy (2005), Eve and the Fire Horse (2005), The Sandlot: Heading Home (2007). Oltre al cinema, Ludwig ha lavorato anche in televisione. Ha recitato in film realizzati per la televisione, come A Little Thing Called Murder (2006), e in serie televisive come The Dead Zone. Ludwig ha ottenuto il suo ruolo da protagonista in The Seeker: The Dark Is Rising (2007) dopo un “estenuante processo di audizione”. Ludwig è stato anche in Grown Ups 2 con Adam Sandler. Il prossimo ruolo da protagonista di Ludwig è arrivato nella parte di Seth – una metà di un adolescente, alieno duo fratello-sorella – nella produzione cinematografica di Race to Witch Mountain (2009), interpretato anche da Dwayne Johnson, il wrestler-turned-actor. Seth è la parte originata da Ike Eisenmann nell’originale del 1975, Escape to Witch Mountain. Il film ha aperto al numero uno del box office il fine settimana in cui ha debuttato, con incassi stimati in 25 milioni di dollari. Nonostante il suo primo successo di casting con The Seeker, Ludwig indicò in un’intervista che era sua intenzione frequentare l’università. In un’altra intervista, l’attore ha detto che la cosa più impegnativa delle riprese di The Seeker era cercare di “destreggiarsi tra la scuola e le riprese”. Ha dichiarato: “La mia scuola non era abituata a questo, e io non ero abituato. È stata l’esperienza più incredibile, ma è stata davvero dura.”
Nell’adattamento cinematografico di The Hunger Games, Ludwig ha interpretato Cato, il feroce tributo maschile del Distretto 2, la principale minaccia alla vita dei protagonisti durante i 74° Hunger Games. Il film è uscito in tutto il mondo il 23 marzo 2012. Ludwig ha vinto il premio per il miglior combattimento agli MTV Movie Awards 2012 insieme a Jennifer Lawrence e Josh Hutcherson, così come il premio per il miglior cattivo ai Teen Choice Awards 2012. Ludwig ha pubblicato il suo primo singolo “Liv It Up (Teenage Wasteland)” il 1º marzo 2012. Nel 2013 ha recitato nei film Lone Survivor e Grown Ups 2. Nel 2014, è entrato a far parte del cast principale della popolare serie televisiva Vikings, interpretando il personaggio di Björn Ironside, il figlio di Ragnar Lothbrok e Lagertha.
Nel 2015, ha avuto il ruolo di protagonista maschile in entrambi i film horror Final Girl e The Final Girls, che non sono collegati tra loro. Ha interpretato l’hacker pacifista Dorn in Bad Boys for Life del 2020, ed è anche apparso nel video musicale di The Band Perry per “Gentle on My Mind” insieme all’attrice di Teen Wolf Shelley Hennig.