Trong năm 2013, Brown đã có vai diễn đầu tiên của cô như một ngôi sao khách mời trong loạt phim truyền hình tưởng tượng của Đài ABC Once Upon a Time in Wonderland, phần thêm của loạt phim Ngày xửa ngày xưa, mô tả vai trò của Alice lúc trẻ.

Trong năm 2014, cô đã có một vai chính trong bộ phim truyền hình kinh dị huyền thoại của BBC America Intruders vào vai Madison O'Donnell.[7] Sau đó, cô xuất hiện trong bộ phim cảnh sát của CBS NCIS, sitcom của ABC Modern Family, và bộ phim truyền hình Grey's Anatomy.

Trong năm 2016, Brown đã đóng vai Eleven trong bộ phim truyền hình Stranger Things của Netflix.[8] Vai diễn của cô nhận được nhiều lời khen ngợi và cô đã được đề cử giải nữ diễn viên xuất sắc nhất trong phim truyền hình của Nghiệp đoàn Diễn viên Màn ảnh và Giải Primetime Emmy cho nữ diễn viên phụ xuất sắc trong bộ phim truyền hình. Cô cũng giành giải thưởng Saturn lần thứ 43 cho màn trình diễn xuất sắc nhất của một diễn viên trẻ trong một bộ phim truyền hình của Viện Hàn lâm phim khoa học viễn tưởng, kỳ ảo và kinh dị.[9]

Vào tháng 11 năm 2016, Brown đóng vai chính trong MV cho đĩa đơn "Find Me" của Sigma và Birdy. Kể từ tháng 11 năm 2016, cô đã xuất hiện trong quảng cáo thương mại cho Citigroup.[10] Vào tháng 1 năm 2017, cô đã làm người mẫu lần đầu trong chiến dịch By Appointment của Calvin Klein.[11] Tháng sau, cô được ký chọn vào làm việc tại công ty quản lý người mẫu hàng đầu IMG Models.[12]

Brown sẽ tham gia đóng phim đầu tay của cô trong phần tiếp theo của Godzilla, Godzilla: King of the Monsters dự định phát hành năm 2019.[13]

Vào tháng 1 năm 2018, Brown được chọn tham gia diễn xuất và sản xuất bộ phim chuyển thể từ cuốn sách Enola Holmes Mysteries.[14]

Tháng 03 năm 2019, Brown thông báo mình sẽ vào vai nữ chính Suzy trong bộ phim chuyển thể từ tiểu thuyết The Thing About Jellyfish của tác giả Ali Benjamin.