In 2005, efter att ha arbetat som statist i flera tv-serier, fick Butler sitt första vanliga jobb som bakgrundsskådespelare i rollen som Lionel Scranton under två säsonger i Nickelodeons Ned’s Declassified School Survival Guide. Hans vän i serien, Lindsey Shaw, presenterade honom för sin manager, Pat Cutler, som genast erbjöd sig att representera honom, och från den tidpunkten började Butler ta skådespeleriet på allvar som en karriär.
I maj 2007 fick Butler en gästroll i Disney Channel-serien Hannah Montana där han spelade rollen Derek Hanson mittemot skådespelerskan Miley Cyrus, och i september samma år porträtterade han Jake Krandle i avsnittet ”iLike Jake” i Nickelodeons serie iCarly.
I februari 2008 fick Butler en huvudroll i Nickelodeon/familjeserien Zoey 101 där han spelade James Garrett, kärleksintresset till Jamie Lynn Spears titelkaraktär Zoey, och i mars samma år medverkade han i ett avsnitt av Out of Jimmys Head där han spelade rollen Lance i avsnittet ”Princess”.
I juli 2009 spelade Butler huvudrollen i 20th Century Fox familjeäventyrsfilm Aliens in the Attic (ursprungligen med titeln They Came From Upstairs), där han porträtterade Jake Pearson, tillsammans med Ashley Tisdale, Carter Jenkins, Robert Hoffman, Kevin Nealon och Doris Roberts. I filmen kämpar hans karaktär, tillsammans med sin familj, för att rädda sitt semesterhus och världen från en utomjordisk invasion. Samma sommar uppträdde Butler i huvudrollen som Jordan Gallagher i den populära, men kortlivade ABC Family-serien Ruby & the Rockits, tillsammans med David Cassidy, Patrick Cassidy och hans goda vän Alexa Vega. Butler porträtterade kusinen till Alexas karaktär Ruby, som han är förälskad i och resonerade att det berodde på att han aldrig växte upp med henne.
I februari 2010 fick Butler en återkommande roll som Jones i CW-serien Life Unexpected, och samma månad medverkade han i ett avsnitt av Wizards of Waverly Place med titeln ”Positive Alex” där han spelade Alex nya förälskelse, George. I juni samma år medverkade Butler i två på varandra följande Jonas-avsnitt där han spelade Stone Stevens, och i december samma år gästspelade Butler i CSI: Miami och The Defenders.
Även 2010 bjöd Butlers Aliens in the Attic-medspelare Ashley Tisdale in honom att provspela för en huvudroll i filmen Sharpay’s Fabulous Adventure, en spin-off av Disneys High School Musical-franchise som följde Sharpay Evans äventyr efter high school när hon försökte få sitt stora genombrott på Broadway. I filmen spelade Butler Peyton Leverette, en stilig filmstudent som finner Sharpay nästan lika fascinerande som hon finner sig själv.
I december 2010 berättade Butler för Week In Rewind om hur han fick sin roll i Sharpay’s Fabulous Adventure: ”Jag hade jobbat med Ashley en gång och sedan hörde jag talas om filmen, för hon ringde mig och sa: ’Austin, jag vill att du kommer och läser för regissören i den här filmen – jag tror att du skulle vara perfekt’. Så jag åkte dit och träffade regissören, och det gick riktigt bra, och det slutade med att jag fick göra filmen.” Filmen avslutades i juli 2010 och släpptes direkt på DVD den 19 april 2011.
Under 2011 bokade han rollen som Wilke i ABC Family-serien Switched at Birth, som hade premiär den 27 juni 2011. Samma år skrev han på för att spela en huvudroll som Zack Garvey i Lifetime TV-filmen The Bling Ring, gjord av Dick Clark Productions och regisserad av Michael Lembeck som tidigare regisserat Tooth Fairy och de två sista delarna i The Santa Clause-franchisen samt The Bling Ring, en Lifetime TV-film, som sändes den 26 september 2011, där Austin Butler spelar Zack Garvey (baserad på Nick Prugo). Den följer en grupp unga inbrottstjuvar när de tar sig an hemmen hos några av Hollywoods kändisar. Jennifer Grey från Dirty Dancing spelar Iris Garvey, mamman till Butlers karaktär Zack, en av de anklagade. I filmen medverkar även Yin Chang, Renee Olstead och Spencer Locke. Filmen släpptes den 26 september 2011.
I januari 2012 gästspelade Butler i NBC-komedin Are You There, Chelsea? i det tredje avsnittet ”Believe”, där han spelade rollen som Luke, en sångare i ett band som Laura Prepons titelkaraktär dras till.
I mars 2012 fick Butler en roll i The CW:s Sex and the City prequel-serie, The Carrie Diaries, för att spela Sebastian Kydd, en grubblande hjärtekrossare som går på samma high school som Carrie Bradshaw, spelad av AnnaSophia Robb. The Carrie Diaries är baserad på Candace Bushnells roman med samma namn och följer Bradshaws liv på 1980-talet som tonåring i New York City. Serien lades ner den 8 maj 2014 efter två säsonger.
I april 2014 tillkännagavs det att Butler hade anslutit sig till rollbesättningen i pjäsen Death of the Author på Geffen Playhouse i Los Angeles. Han spelade rollen som Bradley, en pre-law-student med dubbelt huvudämne i statsvetenskap och matematik, och är inställd på att ta examen från ett välbärgat universitet. Pjäsen är regisserad av Bart DeLorenzo och skriven av Steven Drukman. Efter förhandsvisningar den 20 maj 2014 spelades pjäsen från den 28 maj till den 29 juni. I september 2014 tillkännagavs det att Butler hade anslutit sig till rollistan i Arrow i den återkommande rollen som Chase. Hans karaktär var en DJ och ett kärleksintresse för Willa Hollands karaktär Thea Queen.
Han medverkade tillsammans med Miranda Cosgrove och Tom Sizemore i thrillerfilmen The Intruders, och medverkade i Kevin Smiths skräckkomedi Yoga Hosers (2016), som handlar om 15-åriga yoganördar Colleen Collette och Colleen McKenzie. I filmerna medverkar även Johnny Depp, Lily-Rose Depp, Harley Quinn Smith och Haley Joel Osment.
Under 2016 började han spela rollen som Wil Ohmsford i The Shannara Chronicles, MTV:s tv-adaption av Terry Brooks roman The Elfstones of Shannara. Den 16 januari 2018 meddelades det att serien hade lagts ned efter två säsonger. Producenterna meddelade senare att serien håller på att säljas till andra nätverk.
Han debuterade på Broadway i rollen som Don Parritt, den ”förlorade pojken” i The Iceman Cometh. Förhandsvisningar för den begränsade upplagan började den 26 mars 2018 och pjäsen avslutades den 1 juli 2018. Enligt Hilton Als’ recension av pjäsen i The New Yorker: ”Även om det finns många skådespelare i George C. Wolfes iscensättning av Eugene O’Neills fenomenala drama The Iceman Cometh finns det bara en skådespelare, och hans namn är Austin Butler.”
I juli 2019 medverkade han i Quentin Tarantinos film Once Upon a Time in Hollywood som en fiktiv version av Charles ”Tex” Watson, som betraktade sig själv som Charles Mansons högra hand. Samma månad fick Butler rollen som Elvis Presley i Elvis, en biografisk film om sångaren regisserad av Baz Luhrmann. I februari 2021 fick han en huvudroll i krigsdramatiska miniserien Masters of the Air.