Ludwig började sin karriär vid nio års ålder när han medverkade i en reklamfilm för Harry Potter-leksaker, ett jobb som gjorde det möjligt för honom att skriva kontrakt med en agent och få mer kommersiellt arbete. Senare fick han roller i filmer som 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). Förutom på film har Ludwig även arbetat inom televisionen. Han har medverkat i filmer gjorda för tv, till exempel A Little Thing Called Murder (2006), och i tv-serier som The Dead Zone. Ludwig fick sin huvudroll i The Seeker: The Dark Is Rising (2007) efter en ”uppslitande auditionsprocess”. Enligt honom själv hade han 16 auditions innan han slutligen fick rollen. Ludwig var också med i Grown Ups 2 med Adam Sandler. Ludwig fick sin nästa huvudroll i rollen som Seth – den ena halvan av en tonårig, utomjordisk brödra- och systerduo – i filmproduktionen Race to Witch Mountain (2009), även den med Dwayne Johnson, brottaren som blivit skådespelare. Seth är den roll som Ike Eisenmann spelade i originalfilmen Escape to Witch Mountain från 1975. Filmen öppnade som nummer ett i kassan helgen då den hade premiär, med intäkter som uppskattades till 25 miljoner dollar. Trots sin tidiga castingframgång med The Seeker uppgav Ludwig i en intervju att det var hans avsikt att gå på universitetet. I en annan intervju sade skådespelaren att det mest utmanande med att filma The Seeker var att försöka ”jonglera med skolan samtidigt som man filmade”. Han konstaterade följande: ”Min skola var inte van vid det, och jag var inte van vid det. Det var den mest fantastiska erfarenheten, men det var verkligen svårt.”
I filmatiseringen av Hungerspelen spelade Ludwig Cato, den våldsamma manliga tributanten från distrikt 2, det främsta hotet mot huvudpersonernas liv under de 74:e Hungerspelen. Filmen släpptes över hela världen den 23 mars 2012. Ludwig vann priset för bästa fight på MTV Movie Awards 2012 tillsammans med Jennifer Lawrence och Josh Hutcherson, samt priset för bästa skurk på Teen Choice Awards 2012. Ludwig släppte sin första singel ”Liv It Up (Teenage Wasteland)” den 1 mars 2012. Under 2013 medverkade han i filmerna Lone Survivor och Grown Ups 2. År 2014 blev han en del av huvudrollerna i den populära tv-serien Vikings och spelade karaktären Björn Ironside, son till Ragnar Lothbrok och Lagertha.
Under 2015 hade han den manliga huvudrollen i de båda skräckfilmerna Final Girl och The Final Girls, som inte har något samband med varandra. Han spelade den pacifistiska hackern Dorn i 2020 års Bad Boys for Life och medverkade även i The Band Perrys musikvideo till ”Gentle on My Mind” tillsammans med Teen Wolf-skådespelerskan Shelley Hennig.