Ludwig și-a început cariera la vârsta de nouă ani, când a apărut într-o reclamă la o jucărie Harry Potter, o slujbă care i-a permis să semneze cu un agent și să obțină mai multe lucrări comerciale. Mai târziu, a fost distribuit în filme precum 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). În afară de cinematografie, Ludwig a lucrat și în televiziune. El a jucat în filme realizate pentru televiziune, cum ar fi A Little Thing Called Murder (2006), și în seriale de televiziune precum The Dead Zone. Ludwig a obținut rolul principal în The Seeker: The Dark Is Rising (2007) după un „proces de audiție epuizant”. După socotelile sale, a avut 16 audiții înainte de a fi în cele din urmă distribuit.Ludwig a jucat, de asemenea, în Grown Ups 2 cu Adam Sandler.Următorul rol principal al lui Ludwig a venit în rolul lui Seth – o jumătate dintr-un duo de frați și surori adolescenți, extratereștri – în producția cinematografică Race to Witch Mountain (2009), în care a jucat, de asemenea, Dwayne Johnson, wrestlerul transformat în actor. Seth este rolul inițiat de Ike Eisenmann în filmul original din 1975, Escape to Witch Mountain. Filmul a deschis pe primul loc în box office în weekendul în care a avut premiera, cu încasări estimate la 25 de milioane de dolari. În ciuda succesului său timpuriu la casting cu The Seeker, Ludwig a indicat într-un interviu că intenția sa era să urmeze o facultate. Într-un alt interviu, actorul a declarat că cel mai provocator lucru legat de filmările la The Seeker a fost încercarea de „a jongla cu școala în timp ce filma”. El a declarat: „Școala mea nu era obișnuită cu asta, iar eu nu eram obișnuit cu asta. A fost cea mai uimitoare experiență, dar a fost foarte greu.”
În adaptarea cinematografică a filmului Jocurile Foamei, Ludwig l-a interpretat pe Cato, ferocele tribut masculin din Districtul 2, principala amenințare la adresa vieții protagoniștilor în timpul celei de-a 74-a ediții a Jocurilor Foamei. Filmul a fost lansat la nivel mondial la 23 martie 2012. Ludwig a câștigat premiul pentru cea mai bună luptă la MTV Movie Awards 2012, alături de Jennifer Lawrence și Josh Hutcherson, precum și premiul pentru cel mai bun personaj negativ la Teen Choice Awards 2012. Ludwig și-a lansat primul single „Liv It Up (Teenage Wasteland)” la 1 martie 2012. În 2013, a jucat în filmele „Lone Survivor” și „Grown Ups 2”. În 2014, a făcut parte din distribuția principală a popularului serial de televiziune Vikings, interpretând personajul Björn Ironside, fiul lui Ragnar Lothbrok și al Lagertei.
În 2015, a avut rolul principal masculin în ambele filme horror Final Girl și The Final Girls, care nu au nicio legătură între ele. L-a interpretat pe hackerul pacifist Dorn în filmul Bad Boys for Life din 2020 și, de asemenea, a apărut în videoclipul lui The Band Perry pentru piesa „Gentle on My Mind” alături de actrița Shelley Hennig din Teen Wolf.
.