Po zahájení kariéry v roce 2001 Mills postupně spolupracoval s řadou módních společností, především s Wilhelmina Models, u které začínal svůj modelingový život. V roce 2004 Mills debutoval jako model na přehlídkovém molu pro podzimní kolekce značek Gucci a Yves Saint Laurent v Miláně a Paříži. Na začátku roku 2005 podepsal smlouvu se společností Dolce & Gabbana.

Je stálicí přehlídek Dolce & Gabbana, Versace a Michael Kors již mnoho sezón. V roce 2009 se Mills objevil v kampani nahé vůně Dolce & Gabbana Anthology Fragrance s řadou dalších zavedených modelek včetně Claudie Schiffer, Naomi Campbell a Tyson Ballou.

V roce 2010 se objevil ve filmu Sex ve městě 2 po boku postavy Kim Cattrall, Samanthy Jones. V lednu 2011 se Mills stal jedním z modelů, kteří si zahráli v „new look“ kampani značky Lacoste, odlišném reklamním konceptu pod novým sloganem „Unconventional Chic“. Reklamy natočili Mert a Marcus a zobrazovali v nich modelky v ikonických bílých polokošilích Lacoste nošených přes luxusní černé společenské šaty.

V letech 2011 a 2012 se Mills objevil v sitcomu CBS 2 Broke Girls, kde hrál roli Robbieho, přítele Max (Kat Dennings). V roce 2012 se také objevil ve videoklipu Taylor Swift k písni „We Are Never Ever Getting Back Together“ jako její bývalý milostný zájem.

V roce 2012 se Mills umístil na třetím místě v žebříčku „The Money Guys“ serveru Models.com V roce 2013 se umístil na pátém místě.

V roce 2012 si Mills zahrál v krátkém filmu Candyland, který napsal a režíroval Jouri Smit. Jedná se o devatenáctiminutový umělecký film, který se zdrcujícím účinkem ukazuje, do jaké míry dosáhlo zneužívání léků na předpis epidemické úrovně. Film je němý, ale němý v tom smyslu, že ačkoli jsou slyšet okolní zvuky, hlasy nikoli.“

V roce 2013 si Mills zahrál ve filmu WRACKED, krátkém filmu režisérky Victorie Mahoney, který také napsal a spoluprodukoval. Mills hraje Seana, který se po odpykání pětiletého trestu vrací domů a musí se vyrovnávat s „pozůstatky přerušeného života“. Za tuto roli získal Mills cenu za nejlepší herecký výkon na filmovém festivalu Golden Egg 2013. Film byl také nominován na nejlepší krátký film a nejlepšího herce ve vedlejší roli (Beau Knapp).

Mills se objevil jako jedna z tváří v zářijovém čísle časopisu Details v roce 2015 jako model na obálce spolu s třiceti dalšími top modely, které fotil Mark Seliger.

V roce 2018 si Mills zahrál ve filmu The Brave jako seržant Joseph „McG“ McGuire spolu s Mikem Vogelem a Anne Heche. Hrál bojového zdravotníka pracujícího v elitní skupině armádních zpravodajských důstojníků.

V roce 2019 si Mills zahrál ve filmu The Enemy Within jako zvláštní agent Jason Bragg spolu s Jennifer Carpenter a Morrisem Chestnutem.

V roce 2020 se Mills připojil k hereckému obsazení filmu The Falcon and the Winter Soldier.

V roce 2020 se připojil k hereckému obsazení filmu The Falcon and the Winter Soldier.