Ludwig begon zijn carrière op negenjarige leeftijd toen hij meespeelde in een Harry Potter speelgoedcommercial, een klus die hem in staat stelde bij een agent te tekenen en meer commercieel werk te krijgen. Later werd hij gecast in films als 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). Behalve in de bioscoop heeft Ludwig ook op televisie gewerkt. Hij speelde in televisiefilms, zoals A Little Thing Called Murder (2006), en televisieseries, zoals The Dead Zone. Ludwig kreeg zijn hoofdrol in The Seeker: The Dark Is Rising (2007) na een “slopend auditieproces”. Ludwig speelde ook in Grown Ups 2 met Adam Sandler.Ludwig’s volgende hoofdrol kwam in de rol van Seth – de ene helft van een tiener, alien broer-zus duo – in de filmproductie van Race to Witch Mountain (2009), ook met in de hoofdrol Dwayne Johnson, de worstelaar-turned-actor. Seth is de rol die Ike Eisenmann speelde in het origineel uit 1975, Escape to Witch Mountain. De film opende op nummer één in de box office in het weekend dat hij in première ging, met een geschatte opbrengst van 25 miljoen dollar. Ondanks zijn vroege casting succes met The Seeker, gaf Ludwig in een interview aan dat het zijn bedoeling was om naar de universiteit te gaan. In een ander interview zei de acteur dat het meest uitdagende aan het filmen van The Seeker was om te proberen “school en filmen te combineren”. Hij verklaarde: “Mijn school was er niet aan gewend, en ik was er niet aan gewend. Het was de meest geweldige ervaring, maar het was echt moeilijk.”
In de verfilming van The Hunger Games speelde Ludwig Cato, de felle mannelijke tribuut uit District 2, de primaire bedreiging voor het leven van de protagonisten tijdens de 74e Hunger Games. De film werd wereldwijd uitgebracht op 23 maart 2012. Ludwig won de prijs voor Beste Gevecht op de 2012 MTV Movie Awards samen met Jennifer Lawrence en Josh Hutcherson, evenals de prijs voor Beste Schurk op de 2012 Teen Choice Awards. Ludwig bracht zijn eerste single “Liv It Up (Teenage Wasteland)” uit op 1 maart 2012. In 2013 speelde hij mee in de films Lone Survivor en Grown Ups 2. In 2014 werd hij onderdeel van de hoofdcast van de populaire tv-serie Vikings, waarin hij het personage van Björn Ironside speelde, de zoon van Ragnar Lothbrok en Lagertha.
In 2015 had hij de mannelijke hoofdrol in zowel de horrorfilms Final Girl als The Final Girls, die niets met elkaar te maken hebben. Hij speelde de pacifistische hacker Dorn in 2020’s Bad Boys for Life, en verscheen ook in The Band Perry’s muziekvideo voor “Gentle on My Mind” naast Teen Wolf-actrice Shelley Hennig.