Hänen ensimmäinen ammattilaisroolinsa oli elokuvassa Stranger at My Door (1991), vaikka hän oli näytellyt lastennäytelmissä nelivuotiaasta lähtien. Vuonna 1993 Mel Gibsonin tähdittämä elokuva Mies vailla kasvoja (The Man Without a Face) vauhditti hänen uraansa 13-vuotiaana. Seuraavana vuonna hänellä oli sivuosa elokuvassa Safe Passage. Vuonna 1996 hän näytteli Puckin roolin Benjamin Brittenin oopperassa A Midsummer Night’s Dream New Yorkin Metropolitan-oopperassa. Vuonna 1998 hän näytteli tuomittua nuorta sotilasta toisen maailmansodan aikana Tyynenmeren sodassa elokuvassa The Thin Red Line. Hän saavutti jälleen arvostelu- ja kassamenestystä roolistaan vuoden 2001 elokuvassa Makuuhuoneessa (In the Bedroom), jossa Sissy Spacek näytteli hänen äitiään. Hän teki toisen lipputulohitin elokuvassa Terminator 3: Rise of the Machines (2003) John Connorina (korvaten Edward Furlongin elokuvassa Terminator 2: Judgment Day), jossa hän näytteli yhdessä Arnold Schwarzeneggerin ja Claire Danesin kanssa. Vuonna 2003 hän näytteli HBO:n sarjassa Carnivàle, joka keräsi uskollisen yleisön sekä ylistäviä arvosteluja. Sarja kesti kaksi kautta ja päättyi vuonna 2006.
Stahl on näytellyt kahta roistoa hyvien arvostelujen kera: Bobby Kent elokuvassa Bully (2001) ja Roark Jr./Yellow Bastard elokuvassa Sin City (2005). Stahl ei uusinut rooliaan John Connorina Terminator Salvation -elokuvassa, vaan Christian Bale otti sen paikan. Stahl totesi elokuvan konseptin olevan ”hyppy tulevaisuuteen, joten hän tulee olemaan aika paljon vanhempi”. Muita rooleja olivat muun muassa How to Rob a Bank (2007), Sleepwalking (2008) ja Quid Pro Quo (2008).
Vuonna 2010 Stahl näytteli Max Mathesonia Mirrors 2:ssa, joka on Victor Garcian ohjaama ja Matt Vennen käsikirjoittama jatko-osa Mirrorsille. Hänen uudempiin elokuviinsa kuuluvat On the Inside (2010) ja Afghan Luke (2011) sekä Away from Here (2014).
Vuonna 2019 Stahl esitti sarjamurhaaja Glen Edward Rogersia elokuvassa The Murder of Nicole Brown Simpson. Kuvaukset alkoivat kesällä 2018 ja elokuva julkaistiin Britanniassa 9. joulukuuta 2019. Elokuva perustui Rogersin väitteeseen, jonka mukaan hän olisi itse tappanut Nicole Brown Simpsonin eikä O. J. Simpsonia, Brownin ex-miestä ja pääepäiltyä, joka oli aiemmin tuomittu ja vapautettu murhasta vuonna 1995. Kriitikot arvostelivat elokuvan laajalti.
Vuonna 2019 Stahl esiintyi The Lumineersin lyhytelokuvassa III, joka perustuu heidän uuteen albumiinsa. Stahl esitti hahmoa Jimmy Sparks, joka on isä ja peliriippuvainen.