A los siete años, Holland estaba tocando en la casa del vecino de su padrastro en Los Hamptons, Nueva York. El vecino, Steven Spielberg, estaba filmando videos caseros y les dijo a los padres de Holland: «Tienes que ponerla frente a una cámara.Al regresar a Los Ángeles en septiembre, Holland firmó con la Agencia de Modelos Ford a los siete años, e inmediatamente reservó una sesión para Burberry. Ha modelado para Guess, Gap, Abercrombie & Fitch y Ralph Lauren.
Al año siguiente, 1999, De Palma llevó a Holanda a una agencia de talentos teatrales. Desde entonces ha aparecido en muchos comerciales nacionales. En 2001, cuando Holland tenía diez años, trabajó junto a su padre, director de fotografía, en Ordinary Madness. Incluso estaba programada para co-protagonizar la serie de Fox de 2005 The Inside con su compañera modelo Rachel Nichols, pero abandonó el programa cuando el escritor Tim Minear fue traído para revisarlo. Inicialmente interpretó el papel de Kaitlin Cooper en The O. C., reemplazando a Shailene Woodley, como un personaje recurrente en la temporada 3, pero luego como regular en la cuarta temporada.
En diciembre de 2007, Holland fue elegida para la película de drama independiente Garden Party, interpretando el papel de April, una modelo adolescente con problemas que intenta hazlo en Los Ángeles. En septiembre de 2008, The CW anunció que Holland aparecería en tres episodios de la segunda temporada de la serie de televisión de drama juvenil Gossip Girl, creada por el creador de The O. C. Josh Schwartz. Holland interpretó el papel de una modelo rebelde de 16 años que se hace amiga y crea estragos para el personaje de Taylor Momsen. En marzo de 2010, Holland hizo un regreso único en el episodio 16 de la tercera temporada, «The Empire Strikes Jack», que se emitió el 29 de marzo de 2010.
En mayo de 2010, Square Enix anunció que sería la voz de Aqua en el título de PlayStation Portable, Kingdom Hearts Birth by Sleep, que fue lanzado el 7 de septiembre de 2010 en América del Norte. Ese mismo año, Holland protagonizó su primera gran película de estudio en la película de suspense apocalíptica Legion, interpretando el papel de una adolescente malcriada. Interpretó a Janice Heddon en la película Straw Dogs, un remake de la película de 1971 del mismo nombre. La película se estrenó en septiembre de 2011.
En febrero de 2012, Holland fue elegida para la serie de acción y aventura de CW Arrow, que se basa en los cómics de Green Arrow, donde interpretó a Thea Queen / Speedy, la hermana de Oliver Queen / Green Arrow. Permaneció como miembro regular del elenco de la serie hasta 2018, durante la sexta temporada.
En la película Tiger Eyes estrenada en abril de 2012, Holland interpretó a Davey Wexler. La película se basó en la novela de 1981 del mismo nombre escrita por Judy Blume.