In 1995 verhuisde Miller naar Los Angeles om een acteercarrière na te jagen. Hij heeft verklaard dat zijn hobbelige weg naar het sterrendom “een lange tijd in het verschiet lag en er waren veel tegenslagen en veel mislukkingen en wegversperringen, maar ik kon er niet van weglopen. Ik had het nodig zoals ik lucht nodig had, het was gewoon iets dat ik moest doen.” Miller’s eerste tv-optreden was als student-turned-sea monster Gage Petronzi in Buffy the Vampire Slayer (“Go Fish”, 1998).
Miller’s eerste hoofdrol was in 2002 als de gevoelige, introverte David Scott in ABC’s miniserie Dinotopia. Na een paar kleine televisierollen speelde hij in 2003 mee in de film The Human Stain, waarin hij de jongere versie speelde van het personage van Anthony Hopkins, Coleman Silk. Hij identificeerde zich sterk met het dilemma van de film, over een zwarte man die ervoor kiest om “door te gaan” als blanke. Miller werkte uitgebreid aan de rol, niet alleen door onderzoek te doen naar Anthony Hopkins, maar ook door een vier maanden durend regime om Silk als bokser nauwkeurig te kunnen uitbeelden. In 2003 speelde hij een bijrol in de film Underworld, als arts en vriend van Michael Corvin.
In 2005 werd Miller gecast als Michael Scofield in het televisiedrama Prison Break van Fox Network. Hij speelde de rol van een begaafde bouwkundig ingenieur die een ingewikkeld plan bedacht om zijn broer, Lincoln Burrows (Dominic Purcell), te helpen ontsnappen uit de dodencel na schuldig bevonden te zijn aan een misdaad die hij niet heeft begaan. Zijn personage had een volledige tatoeage op zijn bovenlichaam (voor- en achterkant). De tatoeage bedekte zowel de voorkant van Miller’s torso als zijn rug, samen met beide armen van schouders tot polsen. De special effects voor de tatoeage namen meer dan vier uur in beslag om aan te brengen. Zijn optreden in de show leverde hem in 2005 een Golden Globe Award nominatie op voor Beste Acteur in een Dramaserie. De show werd in 2009 na vier seizoenen beëindigd, maar een nieuw vijfde seizoen van negen afleveringen werd uitgebracht op 4 april 2017, met Miller die zijn rol opnieuw opnam.
Miller verscheen in twee Mariah Carey muziekvideo’s, “It’s Like That” als een feestgast en “We Belong Together” als haar love interest. Regisseur Brett Ratner, die de pilot aflevering van Prison Break regisseerde, was ook aangetrokken om de twee Carey video’s te regisseren. Ratner besloot om Miller ook in de video’s te gebruiken.
Daarnaast speelde Miller een gastrol in de première van seizoen 11 van Law & Order: Special Victims Unit als Detective Nate Kendall, een detective van Precinct 24 van de New York City Police Department. Hij was ook te zien in Resident Evil: Afterlife, de vierde film in de commercieel succesvolle Resident Evil-filmreeks, gebaseerd op de gelijknamige videospelserie; Miller speelt Chris Redfield, een van de hoofdrolspelers uit de videospelserie.
Miller schreef het scenario voor de film Stoker, evenals een prequel op Stoker, Uncle Charlie. Hij gebruikte het pseudoniem Ted Foulke, en legde later uit: “Ik wilde gewoon dat de scripts op zichzelf zouden zinken of zwemmen.” Miller’s script werd in 2010 verkozen tot de “Black List” van de 10 beste ongeproduceerde scenario’s die toen in Hollywood de ronde deden. De film gaat over een tienermeisje dat na de dood van haar vader te maken krijgt met een mysterieuze oom. Miller omschreef het als een “horrorfilm, een familiedrama en een psychologische thriller”. Hoewel beïnvloed door Bram Stoker’s Dracula, heeft Miller verduidelijkt dat Stoker geen vampierverhaal is. Hitchcocks Shadow of a Doubt heeft ook invloed gehad op de film, maar alleen als een startpunt, van waaruit het verhaal een andere richting inslaat. Park Chan-wook regisseerde, met sterren Mia Wasikowska als de tiener, Nicole Kidman als de moeder, en Matthew Goode als de oom. De film werd uitgebracht in 2013, en kreeg over het algemeen positieve kritieken van critici.
In juli 2014 werd aangekondigd dat Miller was toegetreden tot de cast van The CW superheldenserie The Flash in een terugkerende rol als Leonard Snart / Captain Cold. Hij maakte zijn eerste verschijning in de vierde aflevering van het eerste seizoen, en herhaalde zijn rol in Legends of Tomorrow. Deze shows herenigden hem met zijn Prison Break co-ster Dominic Purcell, die Mick Rory / Heat Wave vertolkte. Miller verliet Legends of Tomorrow als een serie regular aan het einde van seizoen één, maar tekende een contract met Warner Bros. TV om Snart tegelijkertijd te blijven portretteren op meerdere shows in de Arrowverse.
Miller schreef het scenario voor de 2016 horrorfilm The Disappointments Room, geproduceerd door Voltage Pictures en Killer Films. De film kreeg negatieve kritieken van critici. Hij is naar verluidt in onderhandeling om de scenariobewerking te schrijven van de roman The Story of Edgar Sawtelle van David Wroblewski, die zou worden geproduceerd door onder anderen Oprah Winfrey en Tom Hanks.
In 2020 kondigde Wentworth aan dat hij niet langer geïnteresseerd was in het spelen van hetero-rollen voor film of televisie en dat hij niet zou deelnemen aan een zesde seizoen van Prison Break als het zou worden geproduceerd.