w wieku siedmiu lat Holland grała w domu sąsiada ojczyma w Hamptons w stanie Nowy Jork. Sąsiad, Steven Spielberg, kręcił domowe filmy i powiedział rodzicom Hollanda: „musisz umieścić ją przed kamerą.”Po powrocie do Los Angeles we wrześniu, Holland podpisał kontrakt z Ford Modeling Agency w wieku siedmiu lat i natychmiast zarezerwował sesję dla Burberry. Wzorowała się na Guess, Gap, Abercrombie &
w następnym roku, 1999, De Palma zabrał Hollanda do agencji talentów teatralnych. Od tego czasu pojawiła się w wielu krajowych reklamach. W 2001 roku, gdy Holland miała 10 lat, pracowała u boku swojego ojca-operatora w „Ordinary Madness”. W 2005 roku miała wystąpić w serialu Fox „the Inside” z modelką Rachel Nichols, ale opuściła serial, gdy pisarz Tim Minear został sprowadzony, aby go zrewitalizować. Początkowo zagrała rolę Kaitlin Cooper w serialu O. C., zastępując Shailene Woodley, jako powracającą postać w sezonie 3, ale potem jako regularna postać w sezonie 4.
w grudniu 2007 roku Holland został obsadzony w niezależnym filmie Garden Party, grając rolę April, nastoletniego aspirującego modelu, który próbuje to w Los Angeles. We wrześniu 2008 roku, stacja The CW ogłosiła, że Holland pojawi się w trzech odcinkach drugiego sezonu serialu dla nastolatków Plotkara, stworzonego przez twórcę O. C. Josha Schwartza. Holland zagrał rolę zbuntowanej 16-letniej modelki, która zaprzyjaźnia się i tworzy spustoszenie dla postaci Taylora Momsena. W marcu 2010 roku Holland wystąpił w szesnastym odcinku trzeciego sezonu, „The Empire Strikes Jack”, który został wyemitowany 29 marca 2010 roku.
w maju 2010 roku Square Enix ogłosiła, że użyczy głosu Aqua w grze na PlayStation Portable, Kingdom Hearts Birth by Sleep, która została wydana 7 września 2010 roku w Ameryce Północnej. W tym samym roku Holland zagrała w swoim pierwszym dużym filmie studyjnym w apokaliptycznym thrillerze Legion, grając rolę bratty nastolatek. Zagrała Janice Heddon w filmie Straw Dogs, remake filmu z 1971 roku o tym samym tytule. Premiera filmu miała miejsce we wrześniu 2011 roku.
w lutym 2012 roku Holland została obsadzona w serialu przygodowym CW Arrow, który jest oparty na komiksach Green Arrow, gdzie zagrała Thea Queen / Speedy, siostrę Olivera Queen / Green Arrow. Pozostała stałym członkiem obsady serialu do 2018 roku, podczas szóstego sezonu.
w filmie Tiger Eyes wydanym w kwietniu 2012 roku, Holland wystąpił jako Davey Wexler. Film powstał na podstawie powieści Judy Blume z 1981 roku o tym samym tytule.