All’età di sette anni, Holland suonava nella casa del vicino di casa del suo patrigno negli Hamptons, New York. Il vicino di casa, Steven Spielberg, stava girando home video e ha detto ai genitori di Holland, ” Hai avuto modo di metterla davanti a una telecamera.”Al suo ritorno a Los Angeles quel settembre, Holland firmò con la Ford Modeling Agency all’età di sette anni, e subito prenotò un servizio fotografico per Burberry. Ha modellato per Guess, Gap, Abercrombie & Fitch e Ralph Lauren.
L’anno successivo, 1999, De Palma ha portato Holland in un’agenzia di talenti teatrali. Da allora è apparsa in molti spot nazionali. Nel 2001, quando Holland aveva dieci anni, ha lavorato al fianco del padre direttore della fotografia in Ordinary Madness. È stata anche in programma di co-star nella serie Fox del 2005 The Inside con la collega modella Rachel Nichols, ma ha lasciato lo spettacolo quando lo scrittore Tim Minear è stato portato a revisionarlo. Inizialmente ha interpretato il ruolo di Kaitlin Cooper in The O. C., sostituendo Shailene Woodley, come personaggio ricorrente nella stagione 3, ma poi come un regolare nella quarta stagione.
Nel dicembre 2007, Holland è stato lanciato nel film drammatico indipendente Garden Party, interpretando il ruolo di April, un’aspirante modella adolescente in difficoltà che cerca di a Los Angeles . Nel settembre 2008, The CW annunciò che Holland sarebbe apparso in tre episodi della seconda stagione della serie televisiva teen-drama Gossip Girl, creata dal creatore dell’O. C. Josh Schwartz. Holland ha interpretato il ruolo di un modello ribelle di 16 anni che fa amicizia e crea scompiglio per il personaggio di Taylor Momsen. Nel marzo 2010 Holland ha fatto un ritorno una tantum nel 16 ° episodio della terza stagione, “The Empire Strikes Jack”, che è andato in onda il 29 marzo 2010.
Nel maggio 2010, Square Enix ha annunciato che avrebbe espresso Aqua nel titolo PlayStation Portable, Kingdom Hearts Birth by Sleep, che è stato rilasciato il 7 settembre 2010 in Nord America. Nello stesso anno Holland ha recitato nel suo primo grande film in studio nel film thriller apocalittico Legion interpretando il ruolo di un adolescente monello. Ha interpretato Janice Heddon nel film Straw Dogs, un remake dell’omonimo film del 1971. Il film ha aperto nel settembre 2011.
Nel febbraio 2012, Holland è stata lanciata nella serie di azione-avventura CW Arrow, basata sui fumetti di Green Arrow, dove ha interpretato Thea Queen / Speedy, la sorella di Oliver Queen / Green Arrow. È rimasta un membro del cast regolare nella serie fino al 2018, durante la sesta stagione.
Nel film Tiger Eyes uscito nell’aprile 2012, Holland ha interpretato Davey Wexler. Il film è basato sull’omonimo romanzo del 1981 scritto da Judy Blume.