Ludwig começou sua carreira aos nove anos de idade quando participou de um comercial de brinquedos de Harry Potter, um trabalho que lhe permitiu assinar com um agente e obter mais trabalho comercial. Mais tarde, ele foi elenco em filmes como 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). Além do cinema, Ludwig também tem trabalhado na televisão. Já atuou em filmes feitos para a televisão, como A Little Thing Called Murder (2006), e em séries televisivas como The Dead Zone. Ludwig obteve seu papel principal em The Seeker: The Dark Is Rising (2007) após um “processo de audição cansativo”. Pela sua contagem, ele teve 16 audições antes de finalmente ser elenco. Ludwig também esteve em Grown Ups 2 com Adam Sandler. O próximo papel principal de Ludwig veio na parte de Seth – metade de uma dupla de irmãos-irmãs adolescentes e alienígenas – na produção do filme Race to Witch Mountain (2009), também estrelado por Dwayne Johnson, o lutador-actor transformado em lutador. Seth é a peça originada por Ike Eisenmann no original de 1975, Escape to Witch Mountain. O filme estreou em número um nas bilheterias no fim de semana em que estreou, com receitas estimadas em 25 milhões de dólares. Apesar de seu sucesso no elenco inicial com O Seeker, Ludwig indicou em uma entrevista que era sua intenção freqüentar a universidade. Em outra entrevista, o ator disse que o mais desafiador de filmar O Seeker era tentar “fazer malabarismos na escola enquanto filmava”. Ele afirmou: “A minha escola não estava habituada a isso, e eu não estava habituado a isso. Foi a experiência mais incrível, mas foi realmente difícil”
Na adaptação cinematográfica de Os Jogos da Fome, Ludwig interpretou Cato, o feroz tributo masculino do Distrito 2, a principal ameaça à vida dos protagonistas durante os 74º Jogos da Fome. O filme foi lançado mundialmente no dia 23 de março de 2012. Ludwig ganhou o prêmio de Melhor Luta nos Prêmios MTV de Cinema 2012 junto com Jennifer Lawrence e Josh Hutcherson, assim como o prêmio de Melhor Vilão no Prêmio Teen Choice Awards 2012. Ludwig lançou seu primeiro single “Liv It Up (Teenage Wasteland)” em 1º de março de 2012. Em 2013, ele co-estrelou os filmes Lone Survivor e Grown Ups 2. Em 2014, ele se tornou parte do elenco principal da popular série de TV Vikings, interpretando o personagem de Björn Ironside, o filho de Ragnar Lothbrok e Lagertha.
Em 2015, ele teve o papel principal masculino nos filmes de terror Final Girl e The Final Girls, que não estão relacionados entre si. Ele interpretou o pacifista hacker Dorn no Bad Boys for Life de 2020, e também apareceu no videoclipe da banda Perry para “Gentle on My Mind” ao lado da atriz Shelley Hennig.