En 1995, Miller se trasladó a Los Ángeles para seguir su carrera como actor. Ha declarado que su rocoso camino hacia el estrellato «tardó mucho en llegar y hubo muchos disgustos y muchos fracasos y obstáculos, pero no podía abandonarlo. Lo necesitaba como el aire, era algo que tenía que hacer». La primera aparición de Miller en televisión fue como el estudiante convertido en monstruo marino Gage Petronzi en Buffy Cazavampiros («Go Fish», 1998).
El primer papel protagonista de Miller fue en 2002 como el sensible e introvertido David Scott en la miniserie de ABC Dinotopia. Tras aparecer en algunos papeles televisivos menores, pasó a coprotagonizar la película de 2003 La mancha humana, interpretando la versión más joven del personaje de Anthony Hopkins, Coleman Silk. Se identificó mucho con el dilema central de la película, sobre un hombre negro que decide «pasar» por blanco. Miller trabajó mucho en el papel, no sólo investigando a Anthony Hopkins, sino embarcándose en un régimen de cuatro meses para representar con precisión a Silk como boxeador. También en 2003, tuvo un papel menor en la película Underworld, interpretando a un médico y amigo del personaje Michael Corvin.
En 2005, Miller fue elegido para interpretar a Michael Scofield en el drama televisivo de la cadena Fox Prison Break. Interpretó el papel de un talentoso ingeniero de estructuras que creó un elaborado plan para ayudar a su hermano, Lincoln Burrows (Dominic Purcell), a escapar del corredor de la muerte tras ser declarado culpable de un crimen que no había cometido. Su personaje llevaba un tatuaje en toda la parte superior del cuerpo (por delante y por detrás). Los efectos especiales del tatuaje, que cubrían la parte delantera del torso y la espalda de Miller, así como los brazos desde los hombros hasta las muñecas, tardaron más de cuatro horas en aplicarse. Su actuación en la serie le valió una nominación al Globo de Oro de 2005 como mejor actor de serie dramática. La serie finalizó en 2009 tras cuatro temporadas, pero el 4 de abril de 2017 se estrenó una nueva quinta temporada de nueve episodios en la que Miller retomó su papel.
Miller apareció en dos vídeos musicales de Mariah Carey, «It’s Like That» como invitado a una fiesta y «We Belong Together» como su interés amoroso. El director Brett Ratner, que dirigió el episodio piloto de Prison Break, también fue contratado para dirigir los dos vídeos de Carey. Ratner decidió utilizar a Miller en los vídeos también.
Además, Miller actuó como invitado en el estreno de la 11ª temporada de Law & Order: Unidad de Víctimas Especiales como el detective Nate Kendall, un detective de la comisaría 24 del Departamento de Policía de Nueva York. También apareció en Resident Evil: Afterlife, la cuarta película de la serie cinematográfica de éxito comercial Resident Evil, basada en la serie de videojuegos del mismo nombre; Miller interpreta a Chris Redfield, uno de los protagonistas de la serie de videojuegos.
Miller escribió el guión de la película Stoker, así como una precuela de Stoker, Uncle Charlie. Utilizó el seudónimo de Ted Foulke, y más tarde explicó: «Sólo quería que los guiones se hundieran o nadaran por sí mismos». El guión de Miller fue votado para la «Lista Negra» de 2010 de los 10 mejores guiones no producidos que entonces hacían la ronda en Hollywood. La película trata de una adolescente que debe enfrentarse a un misterioso tío tras la muerte de su padre. Miller la describe como una «película de terror, un drama familiar y un thriller psicológico». Aunque está influenciada por Drácula de Bram Stoker, Miller ha aclarado que no se trata de una historia de vampiros. La sombra de una duda de Hitchcock también influyó en la película, pero sólo como punto de partida, a partir del cual la historia toma una dirección diferente. Dirigida por Park Chan-wook, tiene como protagonistas a Mia Wasikowska como la adolescente, Nicole Kidman como la madre y Matthew Goode como el tío. La película se estrenó en 2013, y recibió críticas generalmente positivas por parte de la crítica.
En julio de 2014, se anunció que Miller se había unido al reparto de la serie de superhéroes de The CW, The Flash, en un papel recurrente como Leonard Snart / Capitán Frío. Hizo su primera aparición en el cuarto episodio de la primera temporada, y retomó su papel en Legends of Tomorrow. Estas series lo reunieron con su coprotagonista de Prison Break, Dominic Purcell, que interpretó a Mick Rory / Heat Wave. Miller salió de Legends of Tomorrow como serie regular al final de la primera temporada, pero firmó un contrato con Warner Bros. TV para seguir retratando a Snart simultáneamente en múltiples programas del Arrowverse.
Miller escribió el guion de la película de terror de 2016 The Disappointments Room, producida por Voltage Pictures y Killer Films. La película recibió críticas negativas de los críticos. Al parecer, está en negociaciones para escribir la adaptación al guion de la novela The Story of Edgar Sawtelle, de David Wroblewski, que será producida por Oprah Winfrey y Tom Hanks, entre otros.
En 2020, Wentworth anunció que ya no estaba interesado en interpretar papeles heterosexuales para el cine o la televisión y que no participaría en una sexta temporada de Prison Break si se produjera.