Vid sju års ålder spelade Holland i sin styvfars grannhus i Hamptons, New York. Grannen, Steven Spielberg, filmade hemvideor och berättade för Hollands föräldrar, ”Du måste sätta henne framför en kamera.”När han återvände till Los Angeles den September undertecknade Holland med Ford Modeling Agency vid sju års ålder och bokade omedelbart en skott för Burberry. Hon har modellerat för Guess, Gap ,Abercrombie & Fitch och Ralph Lauren.

Följande år, 1999, tog de Palma Holland till en teater talang byrå. Sedan dess har hon dykt upp i många nationella reklamfilmer. Under 2001 när Holland var tio arbetade hon tillsammans med sin filmfotograffader i Ordinary Madness. Hon var till och med tänkt att co-star i 2005 Fox-serien insidan med medmodellen Rachel Nichols, men lämnade showen när författaren Tim Minear togs in för att se över den. Hon spelade ursprungligen rollen som Kaitlin Cooper på O. C., ersätter Shailene Woodley, som en återkommande karaktär i säsong 3, men sedan som en vanlig i säsong fyra.

det i Los Angeles. I September 2008 meddelade CW att Holland skulle visas i tre avsnitt av den andra säsongen av tonårsdrama-TV-serien Gossip Girl, skapad av O. C. skaparen Josh Schwartz. Holland spelade rollen som en upprorisk 16-årig modell som blir vän och skapar kaos för Taylor Momsens karaktär. I mars 2010 gjorde Holland en engångsavkastning i det 16: e avsnittet av den tredje säsongen, ”The Empire Strikes Jack”, som sändes 29 mars 2010.i maj 2010 meddelade Square Enix att hon skulle uttrycka Aqua I PlayStation Portable-titeln, Kingdom Hearts Birth by Sleep, som släpptes den 7 September 2010 i Nordamerika. Samma år spelade Holland i sin första stora studiofilm i den apokalyptiska thrillerfilmen Legion som spelade rollen som en bratty Tonåring. Hon spelade Janice Heddon i filmen Straw Dogs, en remake av 1971-filmen med samma namn. Filmen öppnade i September 2011.

i februari 2012 spelades Holland i CW action-äventyrsserie Arrow, som är baserad på Green Arrow serietidningar, där hon spelade Thea Queen / Speedy, syster till Oliver Queen / Green Arrow. Hon förblev en vanlig rollmedlem i serien fram till 2018, under den sjätte säsongen.

i filmen Tiger Eyes släpptes i April 2012 spelade Holland som Davey Wexler. Filmen baserades på romanen med samma namn från 1981 skriven av Judy Blume.