seitsemänvuotiaana Holland oli leikkimässä isäpuolensa naapurissa New Yorkin Hamptonsissa. Naapuri Steven Spielberg kuvasi kotivideoita ja sanoi Hollandin vanhemmille: ”hänet on laitettava kameran eteen.”Palattuaan Los Angelesiin syyskuussa Holland teki sopimuksen Ford-mallitoimiston kanssa seitsemänvuotiaana ja varasi heti Burberryn kuvaukset. Hän on toiminut muun muassa Guessin, Gapin, Abercrombien & Fitchin ja Ralph Laurenin mallina.
seuraavana vuonna, 1999, De Palma vei Hollandin teatterilliseen kykyjenetsijätoimistoon. Sen jälkeen hän on esiintynyt monissa kansallisissa mainoksissa. Vuonna 2001, kun Holland oli kymmenvuotias, hän työskenteli elokuvaaja-isänsä rinnalla elokuvassa Ordinary Madness. Hän oli jopa teilattu co-star 2005 Fox-sarjan sisällä muiden malli Rachel Nichols, mutta jätti show kun kirjailija Tim Minear tuotiin uudistamaan sitä. Hän aluksi rooli Kaitlin Cooper O. C., korvaa Shailene Woodley, kuten toistuva hahmo kausi 3, mutta sitten säännöllisesti kausi neljä.
joulukuussa 2007 Holland sai roolin independent-draamaelokuvassa Garden Party, jossa hän näyttelee ongelmaista teini-ikäistä malliksi pyrkivää Aprilia Los Angelesissa. Syyskuussa 2008, The CW ilmoitti Holland esiintyy kolme jaksoa toisen kauden teini-draama tv-sarja Gossip Girl, luoma O. C. luoja Josh Schwartz. Holland esitti kapinallista 16-vuotiasta mallia, joka ystävystyy ja luo tuhoa Taylor Momsenin hahmolle. Maaliskuussa 2010 Holland teki kertaluontoisen paluun kolmannen tuotantokauden 16. jaksossa ”The Empire Strikes Jack”, joka esitettiin 29. maaliskuuta 2010.
toukokuussa 2010 Square Enix ilmoitti julkaisevansa Aquan PlayStation Portablessa Kingdom Hearts Birth by Sleep, joka julkaistiin 7.syyskuuta 2010 Pohjois-Amerikassa. Samana vuonna Holland näytteli hänen ensimmäinen suuri studio elokuva apokalyptinen trilleri elokuva Legion pelaa rooli kakara Teini. Hän näytteli Janice Heddonia elokuvassa Olkikoirat, joka on uudelleenfilmatisointi vuoden 1971 samannimisestä elokuvasta. Elokuvan ensi-ilta oli syyskuussa 2011.
helmikuussa 2012 Holland sai roolin Green Arrow-sarjakuviin perustuvasta CW: n Toimintaseikkailusarjasta Arrow, jossa hän esitti Thea Queenia / Speedyä, Oliver Queenin / Green Arrow ’ n siskoa. Hän pysyi vakituisena näyttelijänä sarjassa vuoteen 2018 asti, kuudennella tuotantokaudella.
huhtikuussa 2012 julkaistussa elokuvassa Tiikerinsilmät Holland näytteli Davey Wexleriä. Elokuva perustuu Judy Blumen samannimiseen romaaniin vuodelta 1981.