En 2005, après avoir travaillé comme figurant dans plusieurs séries télévisées, Butler a décroché son premier emploi régulier en tant qu’acteur de fond jouant le rôle de Lionel Scranton pendant deux saisons dans Ned’s Declassified School Survival Guide de Nickelodeon. Son amie de la série, Lindsey Shaw, l’a présenté à son manager, Pat Cutler, qui a immédiatement proposé de le représenter, et à partir de ce moment, Butler a commencé à prendre le métier d’acteur au sérieux.
En mai 2007, Butler a décroché un rôle de guest star dans la série Hannah Montana de Disney Channel en jouant le rôle de Derek Hanson face à l’actrice Miley Cyrus, et en septembre de la même année, il a interprété Jake Krandle dans l’épisode « iLike Jake » de la série iCarly de Nickelodeon.
En février 2008, Butler décroche un rôle principal dans la série Nickelodeon/Family Zoey 101 en jouant James Garrett, l’intérêt amoureux du personnage-titre de Jamie Lynn Spears, et en mars de la même année, il apparaît dans un épisode de Out of Jimmy’s Head en jouant le rôle de Lance dans l’épisode intitulé « Princesse ».
En juillet 2009, Butler a joué dans le film d’aventure familial Aliens in the Attic (initialement intitulé They Came From Upstairs) de la 20th Century Fox, en incarnant Jake Pearson, aux côtés d’Ashley Tisdale, Carter Jenkins, Robert Hoffman, Kevin Nealon et Doris Roberts. Dans le film, son personnage, ainsi que sa famille, se battent pour sauver leur maison de vacances et le monde d’une invasion extraterrestre. Le même été, Butler est apparu dans le rôle principal de Jordan Gallagher dans la série populaire mais éphémère d’ABC Family, Ruby & the Rockits, aux côtés de David Cassidy, Patrick Cassidy et sa bonne amie, Alexa Vega. Butler a joué le rôle du cousin du personnage d’Alexa, Ruby, pour lequel il a le béguin, raisonnant que c’est parce qu’il n’a jamais grandi avec elle.
En février 2010, Butler a décroché un rôle récurrent de Jones dans la série Life Unexpected de CW, et le même mois, il est apparu dans un épisode de Wizards of Waverly Place intitulé « Positive Alex » où il jouait le nouveau béguin d’Alex, George. En juin de la même année, Butler est apparu dans deux épisodes consécutifs de Jonas où il jouait le rôle de Stone Stevens, et en décembre de la même année, Butler a été guest-star dans CSI : Miami et The Defenders.
En 2010 également, la co-star de Butler dans Aliens in the Attic, Ashley Tisdale, l’a invité à auditionner pour un rôle principal dans le film Sharpay’s Fabulous Adventure, un spin-off de la franchise High School Musical de Disney qui suivait les aventures de Sharpay Evans après le lycée alors qu’elle essayait de percer à Broadway. Dans le film, Butler jouait Peyton Leverette, un séduisant étudiant cinéaste qui trouve Sharpay presque aussi fascinante qu’elle se trouve elle-même.
En décembre 2010, Butler a raconté à Week In Rewind comment il avait décroché son rôle dans Sharpay’s Fabulous Adventure : « J’avais travaillé avec Ashley une fois, puis j’ai entendu parler du film, parce qu’elle m’a appelé et m’a dit : « Austin, je veux que tu viennes faire une lecture pour le réalisateur de ce film – je pense que tu serais parfait. Je suis donc allé rencontrer le réalisateur, et ça s’est très bien passé, et j’ai fini par faire le film. » Le film a terminé sa production en juillet 2010 et est sorti directement en DVD le 19 avril 2011.
En 2011, il a décroché le rôle de Wilke dans la série Switched at Birth d’ABC Family, qui a débuté le 27 juin 2011. La même année, il a signé pour jouer le rôle principal de Zack Garvey dans le téléfilm de Lifetime intitulé The Bling Ring, réalisé par Dick Clark Productions et dirigé par Michael Lembeck qui a déjà réalisé Tooth Fairy et les deux derniers volets de la franchise The Santa Clause ainsi que The Bling Ring, un téléfilm de Lifetime, diffusé le 26 septembre 2011, qui met en vedette Austin Butler dans le rôle de Zack Garvey (basé sur Nick Prugo). Il suit un groupe de jeunes cambrioleurs qui s’attaquent aux maisons de certaines célébrités d’Hollywood. Jennifer Grey de Dirty Dancing joue le rôle d’Iris Garvey, la mère de Zack, le personnage de Butler, l’un des accusés. Le film met également en vedette Yin Chang, Renee Olstead et Spencer Locke. Le film est sorti le 26 septembre 2011.
En janvier 2012, Butler a fait une apparition dans la comédie Are You There, Chelsea ? de NBC dans le troisième épisode « Believe », jouant le rôle de Luke, le chanteur d’un groupe par lequel le personnage titre de Laura Prepon est attiré.
En mars 2012, Butler a été casté dans la série préquelle de Sex and the City de The CW, The Carrie Diaries, pour jouer Sebastian Kydd, un bourreau des cœurs qui fréquente le même lycée que Carrie Bradshaw, jouée par AnnaSophia Robb. The Carrie Diaries est basée sur le roman du même nom de Candace Bushnell et suit la vie de Carrie Bradshaw dans les années 1980 en tant qu’adolescente à New York. La série a été annulée le 8 mai 2014, après deux saisons.
En avril 2014, il a été annoncé que Butler avait rejoint la distribution de la pièce Death of the Author au Geffen Playhouse de Los Angeles. Il a joué le rôle de Bradley, un étudiant en pré-juridique avec une double majeure en sciences politiques et en mathématiques, et qui doit être diplômé d’une université riche. La pièce est mise en scène par Bart DeLorenzo et écrite par Steven Drukman. Après des avant-premières le 20 mai 2014, la pièce a été présentée du 28 mai au 29 juin. En septembre 2014, il a été annoncé que Butler avait rejoint le casting d’Arrow dans le rôle récurrent de Chase. Son personnage était un DJ et un intérêt amoureux du personnage de Willa Holland, Thea Queen.
Il a partagé l’affiche avec Miranda Cosgrove et Tom Sizemore dans le film à suspense The Intruders, et est apparu dans le film d’horreur-comédie Yoga Hosers (2016) de Kevin Smith, sur les fous de yoga de 15 ans, Colleen Collette et Colleen McKenzie. Les films mettent également en vedette Johnny Depp, Lily-Rose Depp, Harley Quinn Smith et Haley Joel Osment.
En 2016, il a commencé à jouer le rôle de Wil Ohmsford dans Les Chroniques de Shannara, l’adaptation télévisée par MTV du roman de Terry Brooks Les Pierres d’Elfe de Shannara. Le 16 janvier 2018, il a été annoncé que la série avait été annulée après deux saisons. Les producteurs ont par la suite annoncé que la série était proposée à d’autres réseaux.
Il a fait ses débuts à Broadway en jouant Don Parritt, le « garçon perdu » dans The Iceman Cometh. Les avant-premières de la série limitée ont commencé le 26 mars 2018, et la pièce s’est terminée le 1er juillet 2018. Selon la critique de la pièce par Hilton Als dans le New Yorker : « Bien qu’il y ait de nombreux interprètes dans la mise en scène de George C. Wolfe du drame phénoménal d’Eugene O’Neill, The Iceman Cometh, il n’y a qu’un seul acteur, et son nom est Austin Butler. »
En juillet 2019, il est apparu dans le film de Quentin Tarantino Il était une fois à Hollywood comme une version fictive de Charles « Tex » Watson, qui se considérait comme le bras droit de Charles Manson. Le même mois, Butler a obtenu le rôle d’Elvis Presley dans Elvis, un film biographique sur le chanteur réalisé par Baz Luhrmann. En février 2021, il a obtenu le rôle principal dans la mini-série dramatique de guerre Masters of the Air.