Walker bắt đầu sự nghiệp trên màn ảnh nhỏ của mình từ khi còn bé, khi anh đóng vai chính trong một đoạn phim quảng cáo của hãng Pampers. Anh trở thành người mẫu từ khi hai tuổi và tham gia các chương trình truyền hình từ năm 1985, với các vai diễn trong Highway to Heaven, Who's the Boss?, The Young and the Restless, và Touched by an Angel. Cùng năm đó, anh đóng quảng cáo cho Showbiz Pizza.[15] Sự nghiệp điện ảnh của Walker bắt đầu năm 1986, với bộ phim hài kinh dị Monster in the Closet. Anh và em gái Ashlie còn là người chơi trong chương trình truyền hình I'm Telling! năm 1988; và họ giành giải nhì. Năm 1993 anh đóng vai Brandon Collins trong bộ phim truyền hình The Young and the Restless của đài CBS. Anh cùng diễn viên Heather Tom, người đóng vai Victoria Newman, được đề cử cho các giải Nam diễn viên và nữ diễn viên phim truyền hình xuất sắc nhất của giải Youth in Film Awards. Năm 1998, Walker lần đầu tiên tham gia một bộ phim chiếu rạp, đó là phim hài Meet the Deedles, và chính phim này đã mang tới danh tiếng cho anh. Vai diễn này cũng đã giúp anh được mời tham gia các vai phụ trong các phim Pleasantville (1998), Varsity Blues (1999), She's All That (1999), và The Skulls (2000).

Năm 2001, vai diễn mang tính bước ngoặt trong sự nghiệp của Walker đã đến khi anh thủ vai chính cùng nam diễn viên Vin Diesel trong bộ phim hành động rất thành công The Fast and the Furious, tác phẩm đầu tiên trong loạt phim cùng tên. Bộ phim đã góp phần gây dựng danh tiếng cho Walker, đưa anh trở thành một ngôi sao màn bạc, và sau đó anh đã trở lại với vai diễn này trong phần hai của loạt phim 2 Fast 2 Furious, năm 2003. Anh tiếp tục đảm nhiệm vai chính trong một số phim như Joy Ride (2001), Into the Blue (2005), và Timeline (2003); cùng với một vai phụ trong bộ phim chuyển thể Flags of Our Fathers của Clint Eastwood (2006).

Walker sau đó thủ vai chính trong tác phẩm điện ảnh kinh dị về đề tài tội phạm Running Scared và bộ phim của Walt Disney Pictures, Eight Below, cả hai cùng được phát hành năm 2006. Eight Below nhận được đánh giá chuyên môn rất cao và dẫn đầu doanh thu phòng vé ngày đầu ra mắt, thu về 20 triệu USD trong dịp cuối tuần đầu tiên công chiếu.[16] Trong quá trình sản xuất phim Running Scared, đạo diễn Wayne Kramer đã phát biểu rằng "trên một phương diện nào đó thì [Walker] chính là anh chàng đó"[17] khi so sánh Walker với nhân vật anh thủ vai, Joey Gazelle. Kramer còn nói rằng ông "rất thích được cộng tác với [Walker] bởi anh hoàn toàn ủng hộ tầm nhìn của tôi về bộ phim. Và hơn nữa, anh luôn quyết tâm với nó."[17]

Walker còn đảm nhiệm vai chính trong bộ phim The Lazarus Project, được phát hành trên đĩa DVD ngày 21 tháng 10 năm 2008. Sau đó anh quay lại với loạt phim The Fast and the Furious và tiếp tục đảm nhiệm vai diễn Brian trong phần 4 của series này, Fast & Furious, phát hành ngày 3 tháng 4 năm 2009.[18] Walker sau đó tham gia bộ phim chính kịch về đề tài tội phạm Takers, bộ phim khởi quay đầu tháng 9 năm 2008 và phát hành vào tháng 8 năm 2010.[19]

Thương hiệu nước hoa của Coty Prestige, Davidoff Cool Water for Men, thông báo vào tháng 1 năm 2011 rằng Walker sẽ là gương mặt đại diện mới của thương hiệu này cho tới tháng 7 năm 2011.[20] Sau đó anh tiếp tục tham gia phần năm của loạt phim The Fast and the Furious, Fast Five (2011), và phần sáu, Fast & Furious 6 (2013).

Không lâu sau khi Walker qua đời, bộ phim Hours, với sự tham gia của anh đã hoàn thành từ trước đó trong năm 2013, được phát hành ngày 13 tháng 12 năm 2013. Một bộ phim khác anh cũng đã hoàn tất, Brick Mansions, dự định ra mắt vào tháng 5 năm 2014. Vào thời điểm xảy ra tai nạn, Walker đang tham gia quay phim Fast & Furious 7, dự kiến phát hành vào tháng 7 năm 2014.[21] Anh cũng được dự kiến đảm nhiệm vai diễn Điệp viên 47 trong tác phẩm điện ảnh chuyển thể từ trò chơi điện tử Hitman.[22]