Työskenneltyään ylimääräisenä useissa televisiosarjoissa Butler sai vuonna 2005 ensimmäisen vakituisen työnsä taustanäyttelijänä Lionel Scrantonin roolissa kahden kauden ajan Nickelodeonin Ned’s Declassified School Survival Guide -sarjassa. Hänen ystävänsä sarjassa, Lindsey Shaw, esitteli hänet managerilleen Pat Cutlerille, joka tarjoutui heti edustamaan häntä, ja siitä lähtien Butler alkoi ottaa näyttelemisen vakavasti uranaan.
Toukokuussa 2007 Butler sai vierailevan pääosaroolin Disney-kanavan sarjassa Hannah Montana näyttelemällä Derek Hansonia vastapäätä näyttelijä Miley Cyrusia, ja saman vuoden syyskuussa hän esitti Jake Krandlea Nickelodeon-sarjassa iCarly episodissa ”iLike Jake”.
Helmikuussa 2008 Butler sai pääroolin Nickelodeon/perhesarja Zoey 101:ssä näyttelemällä James Garrettia, joka on Jamie Lynn Spearsin esittämän nimihenkilö Zoeyn rakkauden kohde, ja saman vuoden maaliskuussa hän esiintyi jaksossa Pois Jimmyn päästä näyttelemällä Lancea jaksossa nimeltä ”Prinsessa”.
Heinäkuussa 2009 Butler näytteli 20th Century Foxin perheseikkailuelokuvassa Aliens in the Attic (alkuperäiseltä nimeltään He tulivat yläkerrasta) Jake Pearsonia Ashley Tisdalen, Carter Jenkinsin, Robert Hoffmanin, Kevin Nealonin ja Doris Robertsin rinnalla. Elokuvassa hänen hahmonsa taistelee perheensä kanssa pelastaakseen loma-asuntonsa ja maailman muukalaishyökkäykseltä. Samana kesänä Butler esiintyi Jordan Gallagherin pääosassa suositussa, mutta lyhytikäisessä ABC Family -sarjassa Ruby & the Rockits, David Cassidyn, Patrick Cassidyn ja hänen hyvän ystävänsä Alexa Vegan rinnalla. Butler esitti Alexan Ruby-hahmon serkkua, johon hän on ihastunut, perustellen sitä sillä, että hän ei koskaan kasvanut hänen kanssaan.
Helmikuussa 2010 Butler sai toistuvan roolin Jonesina CW:n sarjassa Life Unexpected, ja samassa kuussa hän esiintyi Wizards of Waverly Place -sarjan jaksossa nimeltä ”Positiivinen Alex”, jossa hän esitti Alexin uutta ihastusta, Georgea. Saman vuoden kesäkuussa Butler esiintyi kahdessa peräkkäisessä Jonas-jaksossa, joissa hän näytteli Stone Stevensiä, ja saman vuoden joulukuussa Butler oli vierailevana tähtenä CSI: Miami- ja The Defenders -sarjoissa.
Seuraavana vuonna 2010 Butlerin Aliens in the Attic -tähti Ashley Tisdale kutsui hänet koe-esiintymään päärooliin elokuvaan Sharpay’s Fabulous Adventure, Disneyn High School Musical -franchisingin spin-off, jossa seurattiin Sharpay Evansin seikkailuja lukion jälkeen, kun hän yrittää saada suuren läpimurtonsa Broadwaylla. Elokuvassa Butler näytteli Peyton Leveretteä, komeaa elokuvantekijäopiskelijaa, joka löytää Sharpayn melkein yhtä kiehtovaksi kuin hän itsensä.
Joulukuussa 2010 Butler kertoi Week In Rewindissä saaneensa roolinsa Sharpay’s Fabulous Adventure -elokuvassa: ”Olin työskennellyt Ashleyn kanssa kerran, ja sitten kuulin elokuvasta, koska hän soitti minulle ja sanoi: ’Austin, haluan sinun tulevan lukemaan ohjaajalle tätä varten – uskon, että olisit täydellinen”. Niinpä menin tapaamaan ohjaajaa, ja se meni todella hyvin, ja päädyin tekemään elokuvan.” Elokuvan tuotanto päättyi heinäkuussa 2010 ja se julkaistiin suoraan DVD:lle 19. huhtikuuta 2011.
Vuonna 2011 hän varasi Wilken roolin ABC Family -sarjasta Switched at Birth, joka debytoi 27. kesäkuuta 2011. Samana vuonna hän allekirjoitti Zack Garveyn pääroolin Lifetime-tv-elokuvassa nimeltä The Bling Ring, jonka teki Dick Clark Productions ja ohjasi Michael Lembeck, joka aiemmin ohjasi Hammaskeiju ja kaksi viimeistä osaa Joulupukki-franchisingissa sekä The Bling Ring, Lifetime-tv-elokuva, joka esitettiin 26. syyskuuta 2011 ja jonka pääosassa Austin Butler on Zack Garvey (Nick Prugon pohjalta). Se seuraa ryhmää nuoria murtovarkaita, joiden kohteena ovat Hollywoodin julkkisten kodit. Dirty Dancingistä tuttu Jennifer Grey esittää Iris Garveytä, Butlerin hahmon Zackin äitiä, joka on yksi syytetyistä. Elokuvan pääosissa nähdään myös Yin Chang, Renee Olstead ja Spencer Locke. Elokuva julkaistiin 26. syyskuuta 2011.
Tammikuussa 2012 Butler oli vierailevana tähtenä NBC:n komediassa Are You There, Chelsea? kolmannessa jaksossa ”Believe”, jossa hän näytteli Lukea, bändin laulajaa, johon Laura Preponin nimihenkilö on ihastunut.
Maaliskuussa 2012 Butler valittiin The CW:n Sex and the Cityn esiosasarjaan The Carrie Diaries näyttelemään Sebastian Kyddiä, joka on AnnaSophia Robbin näyttelemän Carrie Bradshaw’n kanssa samassa lukiossa opiskeleva mietiskelevä sydänkäpylä. The Carrie Diaries perustuu Candace Bushnellin samannimiseen romaaniin ja seuraa Bradshaw’n elämää 1980-luvulla teininä New Yorkissa. Sarja lopetettiin 8. toukokuuta 2014 kahden tuotantokauden jälkeen.
Huhtikuussa 2014 ilmoitettiin, että Butler oli liittynyt Geffen Playhousessa Los Angelesissa esitettävän Death of the Author -näytelmän näyttelijäkaartiin. Hän näytteli Bradleyn roolia, joka on pre-law-opiskelija, jolla on pääaineena valtio-oppi ja matematiikka, ja joka on valmistumassa varakkaasta yliopistosta. Näytelmän on ohjannut Bart DeLorenzo ja käsikirjoittanut Steven Drukman. Ennakkonäytösten jälkeen 20. toukokuuta 2014 näytelmä esitettiin 28. toukokuuta – 29. kesäkuuta. Syyskuussa 2014 ilmoitettiin, että Butler oli liittynyt Arrowin valettuun rooliin Chasen toistuvassa roolissa. Hänen hahmonsa oli DJ ja Willa Hollandin hahmon Thea Queenin rakkauden kohde.
Hän näytteli yhdessä Miranda Cosgroven ja Tom Sizemoren kanssa trillerielokuvassa The Intruders ja esiintyi Kevin Smithin kauhukomediassa Yoga Hosers (2016), joka kertoo 15-vuotiaista joogapähkinöistä, Colleen Collettesta ja Colleen McKenziestä. Elokuvan pääosissa nähdään myös Johnny Depp, Lily-Rose Depp, Harley Quinn Smith ja Haley Joel Osment.
Vuonna 2016 hän aloitti Wil Ohmsfordin roolin The Shannara Chronicles -elokuvassa, joka on MTV:n televisiosovitus Terry Brooksin romaanista The Elfstones of Shannara. Tammikuun 16. päivänä 2018 ilmoitettiin, että sarja oli peruttu kahden kauden jälkeen. Tuottajat ilmoittivat myöhemmin, että sarjaa myydään muille verkostoille.
Hän teki Broadway-debyyttinsä näyttelemällä Don Parrittia, ”kadonnutta poikaa” elokuvassa The Iceman Cometh. Rajoitetun esityskierroksen ennakkoesitykset alkoivat 26. maaliskuuta 2018, ja näytelmä päättyi 1. heinäkuuta 2018. Hilton Alsin arvostelua näytelmästä The New Yorker -lehdessä: ”Vaikka George C. Wolfen lavastuksessa Eugene O’Neillin ilmiömäisestä draamasta The Iceman Cometh on monia esiintyjiä, on vain yksi näyttelijä, ja hänen nimensä on Austin Butler.”
Heinäkuussa 2019 hän esiintyi Quentin Tarantinon elokuvassa Once Upon a Time in Hollywood fiktiivisenä versiona Charles ”Tex” Watsonista, joka piti itseään Charles Mansonin oikeana kätenä. Samassa kuussa Butler valittiin Elvis Presleyn rooliin Baz Luhrmannin ohjaamassa Elvis-elämäkertaelokuvassa, joka kertoo laulajasta. Helmikuussa 2021 hänet valittiin pääosaan sotadraama-minisarjassa Masters of the Air.