En 2005, después de trabajar como extra en varias series de televisión, Butler consiguió su primer trabajo regular como actor de fondo interpretando el papel de Lionel Scranton durante dos temporadas en Ned’s Declassified School Survival Guide. Su amiga en el programa, Lindsey Shaw, le presentó a su representante, Pat Cutler, quien inmediatamente se ofreció a representarlo, y a partir de ese momento, Butler empezó a tomarse en serio la actuación como carrera.
En mayo de 2007, Butler consiguió un papel de estrella invitada en la serie de Disney Channel Hannah Montana interpretando el papel de Derek Hanson frente a la actriz Miley Cyrus, y en septiembre de ese mismo año, interpretó a Jake Krandle en el episodio «iLike Jake» de la serie de Nickelodeon iCarly.
En febrero de 2008, Butler consiguió un papel principal en la serie de Nickelodeon/Family Zoey 101 interpretando a James Garrett, el interés amoroso del personaje titular de Jamie Lynn Spears, Zoey, y en marzo de ese año, apareció en un episodio de Out of Jimmy’s Head interpretando el papel de Lance en el episodio titulado «Princess».
En julio de 2009, Butler protagonizó la película de aventuras familiares de 20th Century Fox Aliens in the Attic (originalmente titulada They Came From Upstairs), interpretando a Jake Pearson, junto a Ashley Tisdale, Carter Jenkins, Robert Hoffman, Kevin Nealon y Doris Roberts. En la película, su personaje, junto con su familia, lucha por salvar su casa de vacaciones y el mundo de una invasión alienígena. Ese mismo verano, Butler apareció en el papel protagonista de Jordan Gallagher en la popular, pero efímera, serie de ABC Family Ruby & the Rockits, junto a David Cassidy, Patrick Cassidy y su buena amiga, Alexa Vega. Butler retrató al primo del personaje de Alexa, Ruby, de quien está enamorado, razonando que es porque nunca creció con ella.
En febrero de 2010, Butler consiguió un papel recurrente como Jones en la serie de la CW Life Unexpected, y ese mismo mes, apareció en un episodio de Wizards of Waverly Place titulado «Positive Alex» donde interpretó al nuevo enamorado de Alex, George. En junio de ese año, Butler apareció en dos episodios consecutivos de Jonas donde interpretó a Stone Stevens, y en diciembre de ese año, Butler fue invitado en CSI: Miami y The Defenders.
También en 2010, la coprotagonista de Aliens in the Attic, Ashley Tisdale, invitó a Butler a hacer una audición para un papel principal en la película Sharpay’s Fabulous Adventure, un spin-off de la franquicia High School Musical de Disney que seguía las aventuras de Sharpay Evans después de la escuela secundaria mientras intentaba conseguir su gran oportunidad en Broadway. En la película, Butler interpretaba a Peyton Leverette, un guapo estudiante de cine que encuentra a Sharpay casi tan fascinante como ella misma.
En diciembre de 2010, Butler contó a Week In Rewind cómo había conseguido su papel en La fabulosa aventura de Sharpay: «Había trabajado con Ashley una vez, y luego me enteré de la película, porque ella me llamó y me dijo: ‘Austin, quiero que vengas a leer para el director de esto; creo que serías perfecto’. Así que fui y me reuní con el director, y me fue muy bien, y acabé haciendo la película». La película terminó de producirse en julio de 2010 y se estrenó directamente en DVD el 19 de abril de 2011.
En 2011, reservó el papel de Wilke en la serie de ABC Family Switched at Birth, que se estrenó el 27 de junio de 2011. Ese mismo año, firmó para interpretar el papel principal de Zack Garvey en la película para televisión de Lifetime llamada The Bling Ring, realizada por Dick Clark Productions y dirigida por Michael Lembeck, quien anteriormente dirigió Tooth Fairy y las dos últimas entregas de la franquicia The Santa Clause, así como The Bling Ring, una película para televisión de Lifetime, emitida el 26 de septiembre de 2011, que está protagonizada por Austin Butler como Zack Garvey (basado en Nick Prugo). Sigue a un grupo de jóvenes ladrones que tienen como objetivo las casas de algunas de las celebridades de Hollywood. Jennifer Grey, de Dirty Dancing, interpreta a Iris Garvey, la madre del personaje de Butler, Zack, uno de los acusados. La película también está protagonizada por Yin Chang, Renee Olstead y Spencer Locke. La película se estrenó el 26 de septiembre de 2011.
En enero de 2012, Butler actuó como invitada en la comedia de la NBC Are You There, Chelsea? en el tercer episodio «Believe», interpretando el papel de Luke, un cantante de una banda por el que se siente atraída el personaje titular de Laura Prepon.
En marzo de 2012, Butler participó en la serie precuela de Sexo en Nueva York de The CW, The Carrie Diaries, para interpretar a Sebastian Kydd, un melancólico que asiste al mismo instituto que Carrie Bradshaw, interpretada por AnnaSophia Robb. The Carrie Diaries se basa en la novela homónima de Candace Bushnell y sigue la vida de Bradshaw en la década de 1980 como adolescente en la ciudad de Nueva York. La serie fue cancelada el 8 de mayo de 2014, después de dos temporadas.
En abril de 2014, se anunció que Butler se había unido al reparto de la obra de teatro Death of the Author en el Geffen Playhouse de Los Ángeles. Interpretó el papel de Bradley, un estudiante de pregrado de derecho con una doble especialización en ciencias políticas y matemáticas, y que se va a graduar en una universidad rica. La obra está dirigida por Bart DeLorenzo y escrita por Steven Drukman. Tras los preestrenos del 20 de mayo de 2014, la obra se representó del 28 de mayo al 29 de junio. En septiembre de 2014, se anunció que Butler se había unido al reparto de Arrow como el papel recurrente de Chase. Su personaje era un DJ y un interés amoroso del personaje de Willa Holland, Thea Queen.
Coprotagonizó junto a Miranda Cosgrove y Tom Sizemore la película de suspense The Intruders, y apareció en la película de terror-comedia de Kevin Smith Yoga Hosers (2016), sobre unas locas del yoga de 15 años, Colleen Collette y Colleen McKenzie. Las películas también están protagonizadas por Johnny Depp, Lily-Rose Depp, Harley Quinn Smith y Haley Joel Osment.
En 2016, comenzó a interpretar el papel de Wil Ohmsford en The Shannara Chronicles, la adaptación televisiva de MTV de la novela de Terry Brooks The Elfstones of Shannara. El 16 de enero de 2018 se anunció la cancelación de la serie tras dos temporadas. Los productores anunciaron más tarde que la serie se está comprando a otras cadenas.
Hizo su debut en Broadway interpretando a Don Parritt, el «niño perdido» en The Iceman Cometh. Los preestrenos de la función limitada comenzaron el 26 de marzo de 2018, y la obra se cerró el 1 de julio de 2018. Según la crítica de Hilton Als sobre la obra en The New Yorker: «Aunque hay muchos intérpretes en la puesta en escena de George C. Wolfe del fenomenal drama de Eugene O’Neill, The Iceman Cometh, solo hay un actor, y su nombre es Austin Butler.»
En julio de 2019, apareció en la película de Quentin Tarantino Once Upon a Time in Hollywood como una versión ficticia de Charles «Tex» Watson, que se consideraba la mano derecha de Charles Manson. Ese mismo mes, Butler fue elegido para interpretar a Elvis Presley en Elvis, una película biográfica sobre el cantante dirigida por Baz Luhrmann. En febrero de 2021, fue elegido como protagonista de la miniserie de drama bélico Masters of the Air.