Ludwig rozpoczął swoją karierę w wieku dziewięciu lat, kiedy wystąpił w reklamie zabawki Harry Potter, praca, która pozwoliła mu podpisać się z agentem i uzyskać więcej komercyjnej pracy. Później został obsadzony w filmach takich jak 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). Poza kinem Ludwig ma na swoim koncie także pracę w telewizji. Występował w filmach telewizyjnych, takich jak A Little Thing Called Murder (2006), oraz serialach telewizyjnych, takich jak The Dead Zone. Główną rolę Ludwig otrzymał w filmie The Seeker: The Dark Is Rising (2007) po „wyczerpującym procesie przesłuchań”. Ludwig wystąpił również w Grown Ups 2 z Adamem Sandlerem. Kolejną główną rolą Ludwiga była rola Setha – jednej połowy nastoletniego, kosmicznego duetu bratersko-siostrzanego – w filmowej produkcji Race to Witch Mountain (2009), w której wystąpił również Dwayne Johnson, zapaśnik-aktor. Seth jest rolą, w którą wcielił się Ike Eisenmann w oryginale z 1975 roku, Escape to Witch Mountain. Film był numerem jeden w box office w weekend, w którym miał swoją premierę, a wpływy szacowane były na 25 milionów dolarów. Pomimo wczesnego sukcesu w castingu do filmu „Poszukiwacz”, Ludwig zaznaczył w jednym z wywiadów, że jego zamiarem było pójście na studia. W innym wywiadzie aktor powiedział, że najtrudniejszą rzeczą przy kręceniu „Poszukiwacza” była próba „pogodzenia szkoły z kręceniem filmu”. Stwierdził: „Moja szkoła nie była do tego przyzwyczajona, a ja nie byłem do tego przyzwyczajony. To było najbardziej niesamowite doświadczenie, ale było naprawdę ciężko.”
W filmowej adaptacji Głodowych Igrzysk, Ludwig zagrał Cato, zaciekłego męskiego trybuta z Dystryktu 2, główne zagrożenie dla życia bohaterów podczas 74. Głodowych Igrzysk. Film ukazał się na całym świecie 23 marca 2012 roku. Ludwig zdobył nagrodę za najlepszą walkę na MTV Movie Awards 2012 wraz z Jennifer Lawrence i Joshem Hutchersonem, a także nagrodę za najlepszego złoczyńcę na Teen Choice Awards 2012. Ludwig wydał swój pierwszy singiel „Liv It Up (Teenage Wasteland)” 1 marca 2012 roku. W 2013 roku zagrał główną rolę w filmach „Lone Survivor” i „Grown Ups 2”. W 2014 roku stał się częścią głównej obsady popularnego serialu telewizyjnego Vikings, grając postać Björna Ironside’a, syna Ragnara Lothbroka i Lagerthy.
W 2015 roku miał męską główną rolę w obu horrorach Final Girl i The Final Girls, które nie są ze sobą powiązane. Zagrał pacyfistycznego hakera Dorna w Bad Boys for Life z 2020 roku, a także pojawił się w teledysku The Band Perry do „Gentle on My Mind” u boku aktorki Teen Wolf, Shelley Hennig.
.