Em 2005, depois de trabalhar como figurante em várias séries de televisão, Butler conseguiu seu primeiro emprego regular como ator de fundo interpretando o papel de Lionel Scranton por duas temporadas no Nickelodeon’s Declassified School Survival Guide de Ned. Sua amiga no programa, Lindsey Shaw, o apresentou ao seu empresário, Pat Cutler, que imediatamente se ofereceu para representá-lo e, a partir daí, Butler começou a levar a sério sua carreira.
Em maio de 2007, Butler conseguiu um papel de protagonista convidado na série do Disney Channel Hannah Montana interpretando o papel da atriz oposta a Derek Hanson, Miley Cyrus, e em setembro do mesmo ano, ele retratou Jake Krandle no episódio “iLike Jake” na série iCarly da Nickelodeon.
Em Fevereiro de 2008, Butler conseguiu um papel principal no programa Nickelodeon/Family Zoey 101 interpretando James Garrett, o interesse amoroso da personagem título de Jamie Lynn Spears Zoey, e em Março desse ano, ele apareceu num episódio de Out of Jimmy’s Head interpretando o papel de Lance no episódio intitulado “Princess”.
Em julho de 2009, Butler estrelou o filme de aventura familiar Aliens in the Attic (originalmente intitulado They Came From Upstairs) da 20th Century Fox, retratando Jake Pearson, ao lado de Ashley Tisdale, Carter Jenkins, Robert Hoffman, Kevin Nealon e Doris Roberts. No filme, seu personagem, junto com sua família, luta para salvar sua casa de férias e o mundo de uma invasão alienígena. Nesse mesmo verão, Butler apareceu no papel principal de Jordan Gallagher na popular, mas curta série Ruby & the Rockits, ao lado de David Cassidy, Patrick Cassidy e seu bom amigo, Alexa Vega. Butler retratou o primo da personagem Ruby da Alexa, por quem ele tem um fraquinho, raciocinando que foi porque ele nunca cresceu com ela.
Em fevereiro de 2010, Butler conseguiu um papel recorrente como Jones na série CW Life Unexpected, e nesse mesmo mês, ele apareceu num episódio de Wizards of Waverly Place intitulado “Positive Alex” onde ele interpretou a nova paixoneta de Alex, George. Em junho daquele ano, Butler apareceu em dois episódios consecutivos de Jonas, onde interpretou Stone Stevens, e em dezembro do mesmo ano, Butler foi o protagonista do CSI: Miami e The Defenders.
Ainda em 2010, Butler’s Aliens in the Attic co-star Ashley Tisdale o convidou para uma audição para um papel principal no filme Sharpay’s Fabulous Adventure, um spin-off da franquia Disney’s High School Musical que seguiu as aventuras de Sharpay Evans depois do colegial enquanto ela tenta conseguir sua grande chance na Broadway. No filme, Butler interpretou Peyton Leverette, uma bela estudante cineasta que acha Sharpay quase tão fascinante quanto ela mesma.
Em dezembro de 2010, Butler contou à Week In Rewind sobre seu papel em Sharpay’s Fabulous Adventure: “Eu tinha trabalhado com Ashley uma vez, e depois ouvi falar do filme, porque ela me ligou e disse: ‘Austin, quero que venhas e leias para o realizador para isto – acho que serias perfeito’. Então, fui ter com o realizador, e correu muito bem, e acabei por fazer o filme.” O filme encerrou a produção em julho de 2010 e foi lançado diretamente para DVD em 19 de abril de 2011.
Em 2011, ele reservou o papel de Wilke na série ABC Family Switched at Birth, estreando em 27 de junho de 2011. No mesmo ano, assinou o papel principal de Zack Garvey no filme de TV Lifetime chamado The Bling Ring, realizado por Dick Clark Productions e dirigido por Michael Lembeck, que anteriormente dirigiu Tooth Fairy e as duas últimas parcelas da franquia The Santa Clause, assim como The Bling Ring, um filme de televisão Lifetime, exibido no dia 26 de setembro de 2011, que estrelou Austin Butler como Zack Garvey (baseado em Nick Prugo). Ele segue um grupo de jovens assaltantes que tem como alvo as casas de algumas celebridades de Hollywood. Jennifer Grey de Dirty Dancing interpreta Iris Garvey, a mãe da personagem de Butler, Zack, uma das réus. O filme também protagoniza Yin Chang, Renee Olstead e Spencer Locke. O filme foi lançado em 26 de setembro de 2011.
Em janeiro de 2012, Butler protagonizou a comédia da NBC Are You There, Chelsea? no terceiro episódio “Believe”, interpretando o papel de Luke, um vocalista da banda para quem o personagem título de Laura Prepon é atraído.
Em março de 2012, Butler foi elenco da série The CW’s Sex and the City prequel, The Carrie Diaries, para interpretar Sebastian Kydd, um fanfarrão de coração que frequenta a mesma escola secundária que Carrie Bradshaw, interpretado por AnnaSophia Robb. The Carrie Diaries é baseado no romance de Candace Bushnell com o mesmo nome e segue a vida de Bradshaw nos anos 80, quando adolescente, em Nova York. O espetáculo foi cancelado em 8 de maio de 2014, após duas temporadas.
Em abril de 2014, foi anunciado que Butler tinha se juntado ao elenco da peça Morte do Autor na Geffen Playhouse, em Los Angeles. Ele interpretou o papel de Bradley, um estudante de pré-direito com dupla especialização em ciência política e matemática, e está prestes a se formar em uma universidade abastada. A peça é dirigida por Bart DeLorenzo e escrita por Steven Drukman. Após as apresentações de 20 de maio de 2014, a peça foi montada de 28 de maio a 29 de junho. Em setembro de 2014, foi anunciado que Butler havia entrado no elenco de Arrow como o papel recorrente de Chase. Seu personagem era um DJ e um interesse amoroso da personagem de Willa Holland Thea Queen.
Ele co-estrelou com Miranda Cosgrove e Tom Sizemore no filme de suspense The Intruders, e apareceu no filme de terror de Kevin Smith, Yoga Hosers (2016), cerca de 15 anos, Colleen Collette e Colleen McKenzie. Os filmes também estrelam Johnny Depp, Lily-Rose Depp, Harley Quinn Smith e Haley Joel Osment.
Em 2016, ele começou a interpretar o papel de Wil Ohmsford em The Shannara Chronicles, adaptação televisiva da MTV do romance de Terry Brooks, The Elfstones of Shannara. Em 16 de janeiro de 2018, foi anunciado que a série tinha sido cancelada após duas temporadas. Os produtores anunciaram mais tarde que a série estava sendo comprada para outras redes.
Ele fez sua estréia na Broadway interpretando Don Parritt, o “garoto perdido” em The Iceman Cometh. As prévias para a série limitada começaram em 26 de março de 2018, e a peça encerrou em 1º de julho de 2018. A crítica de Per Hilton Als sobre a peça no The New Yorker: “Embora haja muitos actores na encenação de George C. Wolfe do drama fenomenal de Eugene O’Neill, The Iceman Cometh, há apenas um actor, e o seu nome é Austin Butler.”
Em Julho de 2019, ele apareceu no filme de Quentin Tarantino Once Upon a Time in Hollywood como uma versão fictícia de Charles “Tex” Watson, que se considerava ser o braço direito de Charles Manson. Nesse mesmo mês, Butler foi elenco de Elvis Presley em Elvis, um filme biográfico sobre o cantor dirigido por Baz Luhrmann. Em fevereiro de 2021, ele foi elenco principal da minissérie Masters of the Air.