1995 flyttade Miller till Los Angeles för att satsa på en skådespelarkarriär. Han har uppgett att hans steniga väg till stjärnstatus ”var en lång tid på väg och det fanns många upprördheter och många misslyckanden och vägspärrar, men jag kunde inte gå ifrån det. Jag behövde det som jag behövde luft, det var bara något jag var tvungen att göra.” Millers första TV-framträdande var som den student som blev sjöodjuret Gage Petronzi i Buffy the Vampire Slayer (”Go Fish”, 1998).
Millers första huvudroll var 2002 som den känsliga, introverta David Scott i ABC:s miniserie Dinotopia. Efter att ha medverkat i några mindre tv-roller gick han vidare till att medverka i 2003 års film The Human Stain, där han spelade den yngre versionen av Anthony Hopkins karaktär, Coleman Silk. Han identifierade sig starkt med filmens centrala dilemma, som handlar om en svart man som väljer att ”passera” som vit. Miller arbetade intensivt med rollen, inte bara genom att göra efterforskningar om Anthony Hopkins, utan också genom att inleda en fyra månader lång kur för att korrekt porträttera Silk som en boxare. År 2003 hade han också en mindre roll i filmen Underworld, där han spelade en läkare och vän till karaktären Michael Corvin.
2005 fick Miller rollen som Michael Scofield i Fox Networks tv-drama Prison Break. Han spelade rollen som en begåvad byggnadsingenjör som skapade en utstuderad plan för att hjälpa sin bror Lincoln Burrows (Dominic Purcell) att fly från dödscellen efter att ha befunnits skyldig till ett brott som han inte begått. Hans karaktär hade en hel överkroppstatuering (fram- och baksida). Specialeffekterna för tatueringen, som täckte både framsidan av Millers överkropp och hans rygg samt båda armarna från axlar till handleder, tog över fyra timmar att applicera. Hans insats i serien gav honom en nominering till Golden Globe Award 2005 för bästa skådespelare i en dramatisk serie. Serien avslutades 2009 efter fyra säsonger, men en ny femte säsong på nio avsnitt släpptes den 4 april 2017, där Miller återupptog sin roll.
Miller medverkade i två musikvideor av Mariah Carey, ”It’s Like That” som festgäst och ”We Belong Together” som hennes kärleksintresse. Regissören Brett Ratner, som regisserade pilotavsnittet av Prison Break, fick också i uppdrag att regissera de två Carey-videorna. Ratner bestämde sig för att använda Miller i videorna också.
Därutöver gästspelade Miller i premiären av säsong 11 av Law & Order: Special Victims Unit som inspektör Nate Kendall, en inspektör från distrikt 24 i New York City Police Department. Han medverkade även i Resident Evil: Afterlife, den fjärde filmen i den kommersiellt framgångsrika Resident Evil-filmserien som bygger på videospelserien med samma namn; Miller spelar Chris Redfield, en av huvudpersonerna i videospelserien.
Miller skrev manuskriptet till filmen Stoker, samt en prequel till Stoker, Uncle Charlie. Han använde pseudonymen Ted Foulke och förklarade senare: ”Jag ville bara att manusen skulle sjunka eller simma på egen hand”. Millers manus röstades in på 2010 års ”svarta lista” över de tio bästa oproducerade manus som då gick runt i Hollywood. Filmen handlar om en tonårsflicka som måste hantera en mystisk farbror efter sin fars död. Miller beskrev den som en ”skräckfilm, ett familjedrama och en psykologisk thriller”. Även om den är influerad av Bram Stokers Dracula har Miller klargjort att Stoker inte är en vampyrhistoria. Hitchcocks Shadow of a Doubt har också påverkat filmen, men endast som en språngbräda från vilken berättelsen tar en annan riktning. Park Chan-wook har regisserat, med stjärnorna Mia Wasikowska som tonåringen, Nicole Kidman som mamman och Matthew Goode som farbror. Filmen släpptes 2013 och fick överlag positiva recensioner från kritikerna.
I juli 2014 tillkännagavs det att Miller hade anslutit sig till skådespelarna i CW:s superhjälteserie The Flash i en återkommande roll som Leonard Snart / Captain Cold. Han gjorde sitt första framträdande i det fjärde avsnittet av den första säsongen och återupptog sin roll i Legends of Tomorrow. I dessa serier återförenades han med sin medspelare i Prison Break, Dominic Purcell, som spelade Mick Rory / Heat Wave. Miller lämnade Legends of Tomorrow som en vanlig serie i slutet av den första säsongen, men skrev ett kontrakt med Warner Bros. TV för att fortsätta porträttera Snart samtidigt i flera serier i Arrowverse.
Miller skrev manus till skräckfilmen The Disappointments Room från 2016, som producerades av Voltage Pictures och Killer Films. Filmen fick negativa recensioner från kritikerna. Han uppges vara i förhandlingar om att skriva manusadaptionen av romanen The Story of Edgar Sawtelle av David Wroblewski som ska produceras av bland annat Oprah Winfrey och Tom Hanks.
I 2020 meddelade Wentworth att han inte längre var intresserad av att spela heterosexuella roller för film eller tv och att han inte skulle medverka i en sjätte säsong av Prison Break om den producerades.