I 2005, efter at have arbejdet som statist i flere tv-serier, fik Butler sit første faste job som baggrundsskuespiller i rollen som Lionel Scranton i to sæsoner i Nickelodeons Ned’s Declassified School Survival Guide. Hans veninde i serien, Lindsey Shaw, præsenterede ham for sin manager, Pat Cutler, som straks tilbød at repræsentere ham, og fra det tidspunkt begyndte Butler at tage skuespillet seriøst som en karriere.
I maj 2007 fik Butler en gæstespillerrolle i Disney Channel-serien Hannah Montana, hvor han spillede rollen som Derek Hanson over for skuespillerinden Miley Cyrus, og i september samme år spillede han Jake Krandle i episoden “iLike Jake” i Nickelodeon-serien iCarly.
I februar 2008 fik Butler en hovedrolle i Nickelodeon/Familieserien Zoey 101, hvor han spillede James Garrett, kærlighedsinteresse for Jamie Lynn Spears’ titelkarakter Zoey, og i marts samme år medvirkede han i et afsnit af Out of Jimmy’s Head i rollen som Lance i afsnittet “Princess”.
I juli 2009 spillede Butler hovedrollen i 20th Century Fox’ familieeventyrfilm Aliens in the Attic (oprindeligt med titlen They Came From Upstairs), hvor han spillede Jake Pearson, sammen med Ashley Tisdale, Carter Jenkins, Robert Hoffman, Kevin Nealon og Doris Roberts. I filmen kæmper hans karakter, sammen med sin familie, for at redde deres sommerhus og verden fra en invasion af rumvæsener. Samme sommer optrådte Butler i hovedrollen som Jordan Gallagher i den populære, men kortvarige ABC Family-serie Ruby & the Rockits, sammen med David Cassidy, Patrick Cassidy og hans gode veninde Alexa Vega. Butler portrætterede fætteren til Alexas karakter Ruby, som han er forelsket i og begrundede det med, at det var fordi han aldrig voksede op med hende.
I februar 2010 fik Butler en tilbagevendende rolle som Jones i CW-serien Life Unexpected, og samme måned medvirkede han i et afsnit af Wizards of Waverly Place med titlen “Positive Alex”, hvor han spillede Alex’ nye forelskelse, George. I juni samme år optrådte Butler i to på hinanden følgende Jonas-episoder, hvor han spillede Stone Stevens, og i december samme år var Butler gæstestjerne i CSI: Miami og The Defenders.
Også i 2010 inviterede Butlers Aliens in the Attic-medspiller Ashley Tisdale ham til audition til en hovedrolle i filmen Sharpay’s Fabulous Adventure, en spin-off af Disneys High School Musical-franchise, der fulgte Sharpay Evans’ eventyr efter high school, hvor hun forsøger at få sit store gennembrud på Broadway. I filmen spillede Butler Peyton Leverette, en flot filmstuderende, der finder Sharpay næsten lige så fascinerende, som hun finder sig selv.
I december 2010 fortalte Butler til Week In Rewind om at lande sin rolle i Sharpay’s Fabulous Adventure: Jeg havde arbejdet med Ashley en gang, og så hørte jeg om filmen, fordi hun ringede til mig og sagde: “Austin, jeg vil have dig til at komme og læse for instruktøren til denne film – jeg tror, du ville være perfekt”. Så jeg tog af sted og mødtes med instruktøren, og det gik rigtig godt, og jeg endte med at være med i filmen.” Filmen blev færdigproduceret i juli 2010 og blev udgivet direkte på dvd den 19. april 2011.
I 2011 bookede han rollen som Wilke i ABC Family-serien Switched at Birth, som fik premiere den 27. juni 2011. Samme år skrev han under på at spille en hovedrolle som Zack Garvey i Lifetime tv-film kaldet The Bling Ring, lavet af Dick Clark Productions og instrueret af Michael Lembeck, der tidligere har instrueret Tooth Fairy og de to sidste afsnit i The Santa Clause-franchisen samt The Bling Ring, en Lifetime tv-film, der blev sendt den 26. september 2011, hvor Austin Butler spiller Zack Garvey (baseret på Nick Prugo). Den følger en gruppe unge indbrudstyve, der går efter hjemmene hos nogle af Hollywoods berømtheder. Jennifer Grey fra Dirty Dancing spiller Iris Garvey, moderen til Butlers karakter Zack, en af de anklagede. I filmen medvirker også Yin Chang, Renee Olstead og Spencer Locke. Filmen blev udgivet den 26. september 2011.
I januar 2012 var Butler gæstestjerne i NBC-komedien Are You There, Chelsea? i tredje afsnit “Believe”, hvor han spillede rollen som Luke, en sanger i et band, som Laura Pepons titelperson er tiltrukket af.
I marts 2012 blev Butler castet i The CW’s Sex and the City prequel-serie, The Carrie Diaries, for at spille Sebastian Kydd, en grublende hjerteknuser, der går på den samme high school som Carrie Bradshaw, spillet af AnnaSophia Robb. The Carrie Diaries er baseret på Candace Bushnells roman af samme navn og følger Bradshaws liv i 1980’erne som teenager i New York City. Serien blev aflyst den 8. maj 2014 efter to sæsoner.
I april 2014 blev det annonceret, at Butler havde sluttet sig til castet i stykket Death of the Author på Geffen Playhouse i Los Angeles. Han spillede rollen som Bradley, en jurastuderende med et dobbelt hovedfag i statskundskab og matematik, og er indstillet på at dimittere fra et velhavende universitet. Stykket er instrueret af Bart DeLorenzo og skrevet af Steven Drukman. Efter forpremiere den 20. maj 2014 løb stykket af stablen fra den 28. maj til den 29. juni. I september 2014 blev det annonceret, at Butler havde sluttet sig til castet af Arrow som den tilbagevendende rolle som Chase. Hans karakter var DJ og kærlighedsinteresse for Willa Hollands karakter Thea Queen.
Han spillede sammen med Miranda Cosgrove og Tom Sizemore i thrillerfilmen The Intruders og medvirkede i Kevin Smiths horror-komediefilm Yoga Hosers (2016), der handler om 15-årige yoganørder, Colleen Collette og Colleen McKenzie. I filmene medvirker også Johnny Depp, Lily-Rose Depp, Harley Quinn Smith og Haley Joel Osment.
I 2016 begyndte han at spille rollen som Wil Ohmsford i The Shannara Chronicles, MTV’s tv-filmatisering af Terry Brooks’ roman The Elfstones of Shannara. Den 16. januar 2018 blev det annonceret, at serien var blevet aflyst efter to sæsoner. Producenterne meddelte senere, at serien er ved at blive solgt til andre netværk.
Han fik sin Broadway-debut med rollen som Don Parritt, den “fortabte dreng” i The Iceman Cometh. Previews til den begrænsede produktion begyndte den 26. marts 2018, og stykket lukkede den 1. juli 2018. Ifølge Hilton Als’ anmeldelse af stykket i The New Yorker: “I juli 2019 optrådte han i Quentin Tarantino-filmen Once Upon a Time in Hollywood som en fiktiv udgave af Charles “Tex” Watson, der anså sig selv for at være Charles Mansons højre hånd. Samme måned blev Butler castet som Elvis Presley i Elvis, en biografisk film om sangeren instrueret af Baz Luhrmann. I februar 2021 blev han castet som hovedrolle i krigsdrama-miniserien Masters of the Air.