Nachdem er als Statist in mehreren Fernsehserien gearbeitet hatte, bekam Butler 2005 seinen ersten regulären Job als Hintergrundschauspieler, der zwei Staffeln lang die Rolle des Lionel Scranton in Nickelodeons Ned’s Declassified School Survival Guide spielte. Seine Freundin in der Serie, Lindsey Shaw, stellte ihn ihrer Managerin Pat Cutler vor, die ihm sofort anbot, ihn zu vertreten, und von da an begann Butler, die Schauspielerei ernsthaft als Karriere zu verfolgen.
Im Mai 2007 erhielt Butler eine Gastrolle in der Disney Channel-Serie Hannah Montana, in der er die Rolle des Derek Hanson gegenüber der Schauspielerin Miley Cyrus spielte, und im September desselben Jahres stellte er Jake Krandle in der Episode „iLike Jake“ in der Nickelodeon-Serie iCarly dar.
Im Februar 2008 erhielt Butler eine Hauptrolle in der Nickelodeon/Familienserie Zoey 101, in der er James Garrett spielte, den Liebhaber von Jamie Lynn Spears‘ Titelfigur Zoey, und im März desselben Jahres trat er in einer Folge von Out of Jimmy’s Head auf, in der er die Rolle des Lance in der Episode „Princess“ spielte.
Im Juli 2009 spielte Butler in dem von 20th Century Fox produzierten Familienabenteuerfilm Aliens in the Attic (ursprünglicher Titel: They Came From Upstairs) die Rolle des Jake Pearson, neben Ashley Tisdale, Carter Jenkins, Robert Hoffman, Kevin Nealon und Doris Roberts. In dem Film kämpft seine Figur zusammen mit seiner Familie darum, ihr Ferienhaus und die Welt vor einer Alien-Invasion zu retten. Im selben Sommer spielte Butler die Hauptrolle des Jordan Gallagher in der beliebten, aber kurzlebigen ABC Family-Serie Ruby & the Rockits an der Seite von David Cassidy, Patrick Cassidy und seiner guten Freundin Alexa Vega. Butler spielte den Cousin von Alexas Figur Ruby, in die er sich verknallt, was er damit begründet, dass er nie mit ihr aufgewachsen ist.
Im Februar 2010 bekam Butler eine wiederkehrende Rolle als Jones in der CW-Serie Life Unexpected, und im selben Monat erschien er in einer Folge von Wizards of Waverly Place mit dem Titel „Positive Alex“, in der er Alex‘ neuen Schwarm George spielte. Im Juni desselben Jahres trat Butler in zwei aufeinanderfolgenden Jonas-Episoden auf, in denen er Stone Stevens spielte, und im Dezember desselben Jahres hatte Butler Gastauftritte in CSI: Miami und The Defenders.
Ebenfalls 2010 lud Butlers Co-Star Ashley Tisdale aus Aliens in the Attic ihn ein, für eine Hauptrolle in dem Film Sharpay’s Fabulous Adventure vorzusprechen, einem Spin-Off von Disneys High School Musical-Franchise, der die Abenteuer von Sharpay Evans nach der Highschool verfolgte, als sie versuchte, ihren großen Durchbruch am Broadway zu schaffen. In dem Film spielte Butler Peyton Leverette, einen gutaussehenden Filmstudenten, der Sharpay fast so faszinierend findet wie sie sich selbst.
Im Dezember 2010 erzählte Butler der Week In Rewind, wie er seine Rolle in Sharpay’s Fabulous Adventure bekam: „Ich hatte schon einmal mit Ashley gearbeitet, und dann hörte ich von dem Film, weil sie mich anrief und sagte: ‚Austin, ich möchte, dass du kommst und für den Regisseur liest – ich denke, du wärst perfekt.‘ Also bin ich hingegangen und habe mich mit dem Regisseur getroffen, und es lief wirklich gut, und am Ende habe ich den Film gemacht.“ Die Produktion des Films endete im Juli 2010 und wurde am 19. April 2011 als Direct-to-DVD veröffentlicht.
Im Jahr 2011 übernahm er die Rolle des Wilke in der ABC-Familienserie Switched at Birth, die am 27. Juni 2011 Premiere hatte. Im selben Jahr unterschrieb er für die Hauptrolle des Zack Garvey in dem Lifetime-Fernsehfilm The Bling Ring, produziert von Dick Clark Productions und unter der Regie von Michael Lembeck, der zuvor bei Tooth Fairy und den letzten beiden Teilen des The Santa Clause-Franchise Regie führte, sowie The Bling Ring, ein Lifetime-Fernsehfilm, der am 26. September 2011 ausgestrahlt wurde und in dem Austin Butler als Zack Garvey (basierend auf Nick Prugo) auftritt. Der Film folgt einer Gruppe junger Einbrecher, die es auf die Häuser einiger Hollywood-Prominenter abgesehen haben. Jennifer Grey (Dirty Dancing) spielt Iris Garvey, die Mutter von Butlers Figur Zack, einem der Angeklagten. In dem Film spielen außerdem Yin Chang, Renee Olstead und Spencer Locke mit. Der Film kam am 26. September 2011 in die Kinos.
Im Januar 2012 hatte Butler eine Gastrolle in der NBC-Comedy Are You There, Chelsea? in der dritten Folge „Believe“, in der er die Rolle von Luke spielte, einem Leadsänger einer Band, zu dem sich Laura Prepons Titelfigur hingezogen fühlt.
Im März 2012 wurde Butler in der The CW’s Sex and the City Prequel Serie, The Carrie Diaries, gecastet, um Sebastian Kydd zu spielen, einen grüblerischen Schwarm, der dieselbe High School besucht wie Carrie Bradshaw, gespielt von AnnaSophia Robb. The Carrie Diaries basiert auf dem gleichnamigen Roman von Candace Bushnell und verfolgt Bradshaws Leben in den 1980er Jahren als Teenager in New York City. Die Serie wurde am 8. Mai 2014 nach zwei Staffeln abgesetzt.
Im April 2014 wurde bekannt, dass Butler zur Besetzung des Stücks Death of the Author am Geffen Playhouse in Los Angeles gehört. Er spielte die Rolle von Bradley, einem Studenten der Rechtswissenschaften mit einem Doppelstudium in Politikwissenschaften und Mathematik, der seinen Abschluss an einer wohlhabenden Universität machen wird. Das Stück wurde von Bart DeLorenzo inszeniert und von Steven Drukman geschrieben. Nach der Vorpremiere am 20. Mai 2014 wurde das Stück vom 28. Mai bis 29. Juni aufgeführt. Im September 2014 wurde bekannt gegeben, dass Butler in der wiederkehrenden Rolle des Chase zum Cast von Arrow gestoßen ist. Sein Charakter war ein DJ und ein Liebesinteresse von Willa Hollands Charakter Thea Queen.
Er spielte zusammen mit Miranda Cosgrove und Tom Sizemore in dem Thriller-Film The Intruders und trat in Kevin Smiths Horror-Comedy-Film Yoga Hosers (2016) auf, in dem es um 15-jährige Yoga-Verrückte, Colleen Collette und Colleen McKenzie geht. In den Filmen spielen auch Johnny Depp, Lily-Rose Depp, Harley Quinn Smith und Haley Joel Osment mit.
Im Jahr 2016 begann er die Rolle des Wil Ohmsford in The Shannara Chronicles, MTVs Fernsehadaption des Terry Brooks-Romans The Elfstones of Shannara. Am 16. Januar 2018 wurde bekannt gegeben, dass die Serie nach zwei Staffeln abgesetzt wurde. Die Produzenten gaben später bekannt, dass die Serie bei anderen Sendern angeboten wird.
Er gab sein Broadway-Debüt in der Rolle des Don Parritt, des „verlorenen Jungen“ in The Iceman Cometh. Die Vorpremieren für die limitierte Auflage begannen am 26. März 2018, und das Stück wurde am 1. Juli 2018 geschlossen. In Hilton Als‘ Rezension des Stücks in The New Yorker heißt es: „Obwohl es viele Darsteller in George C. Wolfes Inszenierung von Eugene O’Neills phänomenalem Drama The Iceman Cometh gibt, gibt es nur einen Schauspieler, und der heißt Austin Butler.“
Im Juli 2019 trat er in dem Quentin-Tarantino-Film Once Upon a Time in Hollywood als fiktive Version von Charles „Tex“ Watson auf, der sich für die rechte Hand von Charles Manson hielt. Im selben Monat wurde Butler als Elvis Presley in Elvis, einem biografischen Film über den Sänger unter der Regie von Baz Luhrmann, besetzt. Im Februar 2021 wurde er für die Hauptrolle in der Kriegsdrama-Miniserie Masters of the Air besetzt.