À l’âge de sept ans, Holland jouait chez le voisin de son beau-père dans les Hamptons, à New York. Le voisin, Steven Spielberg, filmait des vidéos personnelles et a dit aux parents de Holland: « Vous devez la mettre devant une caméra. »À son retour à Los Angeles en septembre, Holland a signé avec l’agence de mannequins Ford à l’âge de sept ans et a immédiatement réservé un shooting pour Burberry. Elle a modélisé pour Guess, Gap, Abercrombie &Fitch et Ralph Lauren.
L’année suivante, 1999, De Palma emmène Holland dans une agence de talents théâtraux. Depuis lors, elle est apparue dans de nombreuses publicités nationales. En 2001, quand Holland avait dix ans, elle a travaillé aux côtés de son père directeur de la photographie dans Ordinary Madness. Elle était même prévue pour co-vedette de la série Fox The Inside en 2005 avec son compatriote Rachel Nichols, mais a quitté la série lorsque l’écrivain Tim Minear a été amené à la réviser. Elle a d’abord joué le rôle de Kaitlin Cooper dans The O.C., remplaçant Shailene Woodley, en tant que personnage récurrent dans la saison 3, puis en tant que régulière dans la quatrième saison.
En décembre 2007, Holland a été choisie pour le rôle du film dramatique indépendant Garden Party, jouant le rôle d’April, une adolescente en herbe en difficulté qui essaie de faire de la c’est à Los Angeles. En septembre 2008, The CW a annoncé que Holland apparaîtrait dans trois épisodes de la deuxième saison de la série télévisée pour adolescents Gossip Girl, créée par le créateur d’O.C. Josh Schwartz. Holland a joué le rôle d’un mannequin rebelle de 16 ans qui se lie d’amitié et crée des ravages pour le personnage de Taylor Momsen. En mars 2010, Holland fait un retour ponctuel dans le 16e épisode de la troisième saison, « L’Empire frappe Jack », diffusé le 29 mars 2010.
En mai 2010, Square Enix a annoncé qu’elle exprimerait Aqua dans le titre PlayStation Portable, Kingdom Hearts Birth by Sleep, qui est sorti le 7 septembre 2010 en Amérique du Nord. La même année, Holland a joué dans son premier grand film de studio dans le film à suspense apocalyptique Legion en jouant le rôle d’une adolescente bratty. Elle a joué Janice Heddon dans le film Straw Dogs, un remake du film du même nom de 1971. Le film a ouvert en septembre 2011.
En février 2012, Holland a joué dans la série d’action-aventure Arrow, basée sur les bandes dessinées de Green Arrow, où elle a joué Thea Queen / Speedy, la sœur d’Oliver Queen / Green Arrow. Elle est restée un acteur régulier de la série jusqu’en 2018, au cours de la sixième saison.
Dans le film Tiger Eyes sorti en avril 2012, Holland a joué le rôle de Davey Wexler. Le film est basé sur le roman du même nom écrit par Judy Blume en 1981.