In 2005, na als figurant te hebben gewerkt in verschillende televisieseries, kreeg Butler zijn eerste vaste baan als achtergrondacteur in de rol van Lionel Scranton gedurende twee seizoenen in Nickelodeon’s Ned’s Declassified School Survival Guide. Zijn vriendin in de show, Lindsey Shaw, stelde hem voor aan haar manager, Pat Cutler, die meteen aanbood om hem te vertegenwoordigen, en vanaf dat moment begon Butler het acteren serieus te nemen als carrière.
In mei 2007 kreeg Butler een gastrol in de Disney Channel-serie Hannah Montana, waarin hij de rol van Derek Hanson speelde tegenover actrice Miley Cyrus, en in september van datzelfde jaar speelde hij Jake Krandle in de aflevering “iLike Jake” van de Nickelodeon-serie iCarly.
In februari 2008 kreeg Butler een hoofdrol in de Nickelodeon/Family show Zoey 101 als James Garrett, de love interest van Jamie Lynn Spears’ titelpersonage Zoey, en in maart van dat jaar verscheen hij in een aflevering van Out of Jimmy’s Head in de rol van Lance in de aflevering getiteld “Princess”.
In juli 2009 speelde Butler in 20th Century Fox’s familie-avonturenfilm Aliens in the Attic (oorspronkelijk getiteld They Came From Upstairs), waarin hij Jake Pearson vertolkte, naast Ashley Tisdale, Carter Jenkins, Robert Hoffman, Kevin Nealon en Doris Roberts. In de film vecht zijn personage, samen met zijn familie, om hun vakantiehuis en de wereld te redden van een buitenaardse invasie. Diezelfde zomer verscheen Butler in de hoofdrol van Jordan Gallagher in de populaire, maar kortstondige ABC Family serie Ruby & the Rockits, naast David Cassidy, Patrick Cassidy en zijn goede vriendin, Alexa Vega. Butler portretteerde de neef van Alexa’s karakter Ruby, op wie hij een oogje heeft, met als reden dat het komt omdat hij nooit met haar is opgegroeid.
In februari 2010 landde Butler een terugkerende rol als Jones in de CW-serie Life Unexpected, en diezelfde maand verscheen hij in een aflevering van Wizards of Waverly Place getiteld “Positive Alex”, waar hij Alex’s nieuwe verliefdheid, George, speelde. In juni van dat jaar, Butler verscheen in twee opeenvolgende Jonas afleveringen waar hij speelde Stone Stevens, en in december van dat jaar, Butler’s gast-starred op CSI: Miami en The Defenders.
Ook in 2010, Butler’s Aliens in the Attic co-ster Ashley Tisdale nodigde hem uit om auditie te doen voor een hoofdrol in de film Sharpay’s Fabulous Adventure, een spin-off van Disney’s High School Musical franchise die de avonturen volgt van Sharpay Evans na de middelbare school als ze probeert haar grote doorbraak op Broadway te krijgen. In de film speelde Butler Peyton Leverette, een knappe student filmmaker die Sharpay bijna net zo fascinerend vindt als ze zichzelf vindt.
In december 2010 vertelde Butler aan Week In Rewind over het landen van zijn rol in Sharpay’s Fabulous Adventure: “Ik had een keer met Ashley gewerkt, en toen hoorde ik over de film, omdat ze me belde en zei: ‘Austin, ik wil dat je komt lezen voor de regisseur voor dit-ik denk dat je perfect zou zijn.’ Dus ik ging erheen en ontmoette de regisseur, en het ging heel goed, en uiteindelijk heb ik de film gedaan.” De film wikkelde de productie in juli 2010 af en werd op 19 april 2011 direct-to-DVD uitgebracht.
In 2011 boekte hij de rol van Wilke in de ABC Family-serie Switched at Birth, die op 27 juni 2011 debuteerde. In hetzelfde jaar, tekende hij voor een hoofdrol van Zack Garvey in de Lifetime tv-film genaamd The Bling Ring, gemaakt door Dick Clark Productions en geregisseerd door Michael Lembeck die eerder Tooth Fairy en de laatste twee afleveringen in The Santa Clause franchise regisseerde. The Bling Ring, een Lifetime tv-film, uitgezonden op 26 september 2011, met Austin Butler als Zack Garvey (gebaseerd op Nick Prugo). De film volgt een groep jonge inbrekers die het gemunt hebben op de huizen van enkele beroemdheden uit Hollywood. Jennifer Grey van Dirty Dancing speelt Iris Garvey, de moeder van Butler’s personage Zack, een van de verdachten. In de film zijn ook Yin Chang, Renee Olstead en Spencer Locke te zien. De film werd uitgebracht op 26 september 2011.
In januari 2012, Butler gast-starred op de NBC komedie Are You There, Chelsea? in de derde aflevering “Believe”, het spelen van de rol van Luke, een band leadzanger die Laura Prepon’s titelpersonage is aangetrokken tot.
In maart 2012 werd Butler gecast in The CW’s Sex and the City prequel serie, The Carrie Diaries, om Sebastian Kydd te spelen, een broedende hartenbreker die naar dezelfde middelbare school gaat als Carrie Bradshaw, gespeeld door AnnaSophia Robb. The Carrie Diaries is gebaseerd op de gelijknamige roman van Candace Bushnell en volgt Bradshaw’s leven in de jaren ’80 als tiener in New York City. De show werd op 8 mei 2014, na twee seizoenen, gecanceld.
In april 2014 werd bekend dat Butler was toegetreden tot de cast van het toneelstuk Death of the Author in het Geffen Playhouse in Los Angeles. Hij speelt de rol van Bradley, een pre-law student met een dubbele major in politieke wetenschappen en wiskunde, en is ingesteld om af te studeren aan een welvarende universiteit. Het stuk is geregisseerd door Bart DeLorenzo en geschreven door Steven Drukman. Na voorvertoningen op 20 mei 2014, liep het toneelstuk van 28 mei tot 29 juni. In september 2014 werd bekend dat Butler was toegetreden tot de cast van Arrow als de terugkerende rol van Chase. Zijn personage was een DJ en een liefdesinteresse van Willa Holland’s personage Thea Queen.
Hij speelde samen met Miranda Cosgrove en Tom Sizemore in de thrillerfilm The Intruders, en verscheen in Kevin Smith’s horror-komediefilm Yoga Hosers (2016), over 15-jarige yoganoten, Colleen Collette en Colleen McKenzie. In de films spelen ook Johnny Depp, Lily-Rose Depp, Harley Quinn Smith en Haley Joel Osment.
In 2016 begon hij de rol van Wil Ohmsford te spelen in The Shannara Chronicles, MTV’s televisiebewerking van de Terry Brooks-roman The Elfstones of Shannara. Op 16 januari 2018 werd bekend dat de serie na twee seizoenen was gecanceld. Producenten kondigden later aan dat de serie wordt geshopt naar andere netwerken.
Hij maakte zijn Broadway-debuut door Don Parritt te spelen, de “verloren jongen” in The Iceman Cometh. Previews voor de beperkte run begonnen op 26 maart 2018, en het stuk sloot op 1 juli 2018. Per Hilton Als’s recensie van het stuk in The New Yorker: “Hoewel er veel performers zijn in George C. Wolfe’s enscenering van Eugene O’Neill’s fenomenale drama, The Iceman Cometh, is er maar één acteur, en zijn naam is Austin Butler.”
In juli 2019 verscheen hij in de Quentin Tarantino-film Once Upon a Time in Hollywood als een fictieve versie van Charles “Tex” Watson, die zichzelf beschouwde als de rechterhand van Charles Manson. Diezelfde maand werd Butler gecast als Elvis Presley in Elvis, een biografische film over de zanger geregisseerd door Baz Luhrmann. In februari 2021, werd hij gecast als een hoofdrol in de oorlogsdrama miniserie Masters of the Air.