În 2005, după ce a lucrat ca figurant în mai multe seriale de televiziune, Butler a obținut primul său loc de muncă regulat ca actor de fundal, jucând rolul lui Lionel Scranton timp de două sezoane în serialul Nickelodeon’s Ned’s Declassified School Survival Guide. Prietena lui din serial, Lindsey Shaw, i-a făcut cunoștință cu managerul ei, Pat Cutler, care s-a oferit imediat să îl reprezinte, iar din acel moment, Butler a început să ia în serios cariera de actor.
În mai 2007, Butler a obținut un rol de invitat în serialul Disney Channel Hannah Montana, jucând rolul lui Derek Hanson alături de actrița Miley Cyrus, iar în luna septembrie a aceluiași an, l-a interpretat pe Jake Krandle în episodul „iLike Jake” din serialul iCarly de la Nickelodeon.
În februarie 2008, Butler a obținut un rol principal în serialul Nickelodeon/Family Zoey 101 interpretându-l pe James Garrett, interesul amoros al personajului principal Zoey al lui Jamie Lynn Spears, iar în luna martie a aceluiași an, a apărut într-un episod din serialul Out of Jimmy’s Head jucând rolul lui Lance în episodul intitulat „Princess”.
În iulie 2009, Butler a jucat în filmul de aventuri de familie al 20th Century Fox, Aliens in the Attic (intitulat inițial They Came From Upstairs), interpretându-l pe Jake Pearson, alături de Ashley Tisdale, Carter Jenkins, Robert Hoffman, Kevin Nealon și Doris Roberts. În film, personajul său, împreună cu familia sa, luptă pentru a-și salva casa de vacanță și lumea de o invazie extraterestră. În aceeași vară, Butler a apărut în rolul principal al lui Jordan Gallagher în popularul, dar de scurtă durată, serial ABC Family Ruby & the Rockits, alături de David Cassidy, Patrick Cassidy și buna sa prietenă, Alexa Vega. Butler l-a portretizat pe vărul personajului lui Alexa, Ruby, de care se îndrăgostește, motivând că asta se datorează faptului că nu a crescut niciodată cu ea.
În februarie 2010, Butler a obținut un rol recurent ca Jones în serialul CW Life Unexpected, iar în aceeași lună, a apărut într-un episod din Wizards of Waverly Place intitulat „Positive Alex”, unde l-a interpretat pe noul îndrăgostit al lui Alex, George. În luna iunie a aceluiași an, Butler a apărut în două episoade consecutive din Jonas în care a jucat rolul lui Stone Stevens, iar în luna decembrie a aceluiași an, Butler a fost invitat în CSI: Miami și The Defenders.
De asemenea, în 2010, Ashley Tisdale, colega de scenă a lui Butler, Aliens in the Attic, l-a invitat să dea o audiție pentru un rol principal în filmul Sharpay’s Fabulous Adventure, un spin-off al francizei High School Musical de la Disney care urmărea aventurile lui Sharpay Evans după terminarea liceului, în timp ce încerca să obțină marea ei șansă pe Broadway. În film, Butler l-a interpretat pe Peyton Leverette, un student regizor chipeș care o găsește pe Sharpay aproape la fel de fascinantă cum se găsește ea însăși.
În decembrie 2010, Butler a povestit în Week In Rewind despre obținerea rolului său în Sharpay’s Fabulous Adventure: „Lucrasem cu Ashley o dată, iar apoi am auzit de film, pentru că m-a sunat și mi-a spus: „Austin, vreau să vii să citești pentru regizor pentru acest film – cred că ai fi perfect”. Așa că m-am dus și m-am întâlnit cu regizorul și a mers foarte bine, iar eu am ajuns să joc în film.” Filmul a încheiat producția în iulie 2010 și a fost lansat direct pe DVD la 19 aprilie 2011.
În 2011, a rezervat rolul lui Wilke în serialul Switched at Birth de la ABC Family, care a debutat la 27 iunie 2011. În același an, a semnat pentru rolul principal al lui Zack Garvey în filmul de televiziune Lifetime intitulat The Bling Ring, realizat de Dick Clark Productions și regizat de Michael Lembeck, care a regizat anterior Tooth Fairy și ultimele două episoade din franciza The Santa Clause, precum și The Bling Ring, un film de televiziune Lifetime, difuzat pe 26 septembrie 2011, în care Austin Butler joacă rolul lui Zack Garvey (bazat pe Nick Prugo). Filmul urmărește un grup de tineri spărgători care vizează casele unor celebrități de la Hollywood. Jennifer Grey, din Dirty Dancing, o interpretează pe Iris Garvey, mama personajului lui Butler, Zack, unul dintre inculpați. În film mai joacă Yin Chang, Renee Olstead și Spencer Locke. Filmul a fost lansat pe 26 septembrie 2011.
În ianuarie 2012, Butler a jucat ca invitat în comedia NBC Are You There, Chelsea? în cel de-al treilea episod „Believe”, interpretând rolul lui Luke, solistul unei trupe de care este atras personajul principal al Laurei Prepon.
În martie 2012, Butler a fost distribuit în serialul prequel al serialului Sex and the City de la The CW, The Carrie Diaries, pentru a juca rolul lui Sebastian Kydd, un iubăreț încruntat care frecventează același liceu ca și Carrie Bradshaw, interpretată de AnnaSophia Robb. The Carrie Diaries se bazează pe romanul cu același nume al lui Candace Bushnell și urmărește viața lui Bradshaw în anii 1980, ca adolescentă în New York City. Serialul a fost anulat pe 8 mai 2014, după două sezoane.
În aprilie 2014, s-a anunțat că Butler s-a alăturat distribuției piesei Death of the Author la Geffen Playhouse din Los Angeles. El a interpretat rolul lui Bradley, un student la drept, cu dublă specializare în științe politice și matematică, și urmează să absolve o universitate bogată. Piesa este regizată de Bart DeLorenzo și scrisă de Steven Drukman. După avanpremierele din 20 mai 2014, piesa a rulat între 28 mai și 29 iunie. În septembrie 2014, s-a anunțat că Butler s-a alăturat distribuției serialului Arrow în rolul recurent al lui Chase. Personajul său era un DJ și un interes amoros al personajului Thea Queen, interpretat de Willa Holland.
A jucat alături de Miranda Cosgrove și Tom Sizemore în filmul thriller The Intruders și a apărut în filmul de comedie horror Yoga Hosers (2016) al lui Kevin Smith, despre nebunele de yoga de 15 ani, Colleen Collette și Colleen McKenzie. În film joacă, de asemenea, Johnny Depp, Lily-Rose Depp, Harley Quinn Smith și Haley Joel Osment.
În 2016, a început să joace rolul lui Wil Ohmsford în The Shannara Chronicles, adaptarea televizată de MTV a romanului lui Terry Brooks The Elfstones of Shannara. La 16 ianuarie 2018, s-a anunțat că serialul a fost anulat după două sezoane. Producătorii au anunțat ulterior că serialul este prezentat altor rețele.
Și-a făcut debutul pe Broadway interpretându-l pe Don Parritt, „băiatul pierdut” din The Iceman Cometh. Avanpremierele pentru seria limitată au început la 26 martie 2018, iar piesa s-a încheiat la 1 iulie 2018. Conform recenziei lui Hilton Als despre piesă în The New Yorker: „Deși sunt mulți interpreți în montarea lui George C. Wolfe a fenomenalei drame a lui Eugene O’Neill, The Iceman Cometh, există un singur actor, iar numele lui este Austin Butler.”
În iulie 2019, a apărut în filmul lui Quentin Tarantino Once Upon a Time in Hollywood ca o versiune fictivă a lui Charles „Tex” Watson, care se considera mâna dreaptă a lui Charles Manson. În aceeași lună, Butler a fost distribuit în rolul lui Elvis Presley în Elvis, un film biografic despre cântăreț regizat de Baz Luhrmann. În februarie 2021, a fost distribuit în rolul principal în miniseria dramatică de război Masters of the Air.
.