Anh được biết đến khi là nhân vật chính trong phim ''[[The Boy in the Striped Pyjamas (film)|The Boy in the Striped Pyjamas]]'' (2008).
Với vai diễn Hugo Cabret trong bộ phim ''Hugo'' (2011) của Martin Scorsese, Butterfield đã nhận được nhiều lời khen ngợi và đã nhận được giải Young Hollywood Award cho diễn viên có diễn xuất đột phá.và được đề cử giải Critics 'Choice Movie cho Nghệ sĩ trẻ xuất sắc nhất và Giải Empire Award forcho Bestnam Malediễn Newcomerviên mới xuất sắc nhất. trong số những giải thưởng khác. Ông cũng được biết đến với vai diễn Ender Wiggin trong bộ phim chuyển thể năm 2013 của cuốn tiểu thuyết khoa học viễn tưởng ''Ender's Game'' của Orson Scott Card.. Anh được đề cử giải Phim độc lập Anh cho Nam diễn viên chính xuất sắc nhất cho vai Nathan Ellis trong bộ ''phim X + Y'' của Morgan Matthews (2014). Anh tiếp tục đóng vai Jake trong Miss Peregrine's Home for Peculiar Children (2016) và trong vai Gardner Elliot, nhân vật chính trong ''The Space Between Us'' (năm 2017).. Anh cũng đóng vai chính trong ''The House of Tomorrow'' , được công chiếu tại Liên hoan phim Quốc tế San Francisco năm 2017.