A 2001-ben kezdődött karrierje után Mills számos divatcéggel dolgozott együtt, leginkább a Wilhelmina Modelsszel, ahonnan modellként indult. 2004-ben Mills kifutómodellként debütált a Gucci és az Yves Saint Laurent őszi kollekcióinak bemutatóján Milánóban és Párizsban. 2005 elején szerződést kötött a Dolce & Gabbanával.
A Dolce & Gabbana, Versace és Michael Kors bemutatóinak állandó szereplője már több szezon óta. 2009-ben Mills szerepelt a meztelen Dolce & Gabbana Anthology Fragrance kampányában számos más ismert modellel, köztük Claudia Schifferrel, Naomi Campbellel és Tyson Ballou-val.
2010-ben szerepelt a Szex és New York 2-ben Kim Cattrall karakterével, Samantha Jones-szal szemben. Mills lett az egyik modell, aki 2011 januárjában szerepelt a Lacoste “new look” kampányában, egy másfajta reklámkoncepcióban, az új szlogen, az “Unconventional Chic” alatt. A reklámokat Mert és Marcus fotózta, a modellek az ikonikus fehér Lacoste pólóinget viselik, amelyet díszes fekete estélyi ruhák fölött viselnek.
2011-ben és 2012-ben Mills szerepelt a CBS 2 Broke Girls című sitcomjában, ahol Robbie-t, Max (Kat Dennings) barátját alakította. Taylor Swift 2012-es We Are Never Ever Getting Back Together című dalához készült videoklipjében is szerepelt, mint Taylor Swift egykori szerelme.
Mills 2012-ben a Models.com által a “The Money Guys” harmadik helyezettje volt. 2013-ban az ötödik helyre került.
Mills 2012-ben szerepelt a Jouri Smit által írt és rendezett Candyland című rövidfilmben. A film egy 19 perces művészfilm, amely lesújtóan mutatja be, hogy a vényköteles gyógyszerekkel való visszaélés milyen mértékű, járványos méreteket öltött. A film némafilm, de olyan értelemben néma, hogy bár a környezeti zajok hallhatóak, a hangok nem.
2013-ban Mills szerepelt a Victoria Mahoney által rendezett WRACKED című rövidfilmben, amelyet szintén ő írt és koprodukált. Mills Seant alakítja, aki ötéves börtönbüntetése letöltése után hazatér, és meg kell küzdenie “egy megszakított élet maradványaival”. Ezért a szerepéért Mills elnyerte a 2013-as Golden Egg Filmfesztiválon a legjobb színésznek járó díjat. A filmet jelölték a legjobb rövidfilm és a legjobb férfi mellékszereplő (Beau Knapp) kategóriában is.
Mills a Details 2015. szeptemberi számának egyik arcaként szerepelt, címlapmodellnek harminc másik férfi topmodellel együtt, amelyet Mark Seliger fotózott.
2018-ban Mills a The Brave című filmben szerepelt Joseph “McG” McGuire őrmesterként, Mike Vogel és Anne Heche mellett. Egy harci orvost alakított, aki a hadsereg hírszerzőinek elit csoportjában dolgozik.
2019-ben Mills a The Enemy Within című filmben Jason Bragg különleges ügynökként szerepelt, Jennifer Carpenter és Morris Chestnut mellett.
2020-ban Mills csatlakozott A Sólyom és a téli katona szereplőgárdájához.