Dopo aver iniziato la sua carriera nel 2001, Mills ha cominciato a lavorare con diverse aziende di moda, in particolare con Wilhelmina Models, da cui ha iniziato la sua vita da modello. Nel 2004, Mills ha fatto il suo debutto come modello di pista per le collezioni autunnali di Gucci e Yves Saint Laurent a Milano e Parigi. All’inizio del 2005, ha firmato un contratto con Dolce & Gabbana.

È stato un appuntamento fisso alle sfilate di Dolce & Gabbana, Versace e Michael Kors per molte stagioni. Nel 2009, Mills è apparso nella campagna di nudo di Dolce & Gabbana Anthology Fragrance con una serie di altri modelli affermati tra cui Claudia Schiffer, Naomi Campbell e Tyson Ballou.

Nel 2010, è apparso in Sex and the City 2 accanto al personaggio di Kim Cattrall, Samantha Jones. Mills è diventato uno dei modelli protagonisti della campagna “new look” di Lacoste nel gennaio 2011, un diverso concetto di pubblicità sotto la nuova tagline, “Unconventional Chic”. Le pubblicità sono state scattate da Mert e Marcus, mostrando modelli che indossano le iconiche polo bianche Lacoste indossate su eleganti abiti da sera neri.

Nel 2011 e 2012, Mills è apparso nella sitcom della CBS 2 Broke Girls, interpretando il ruolo di Robbie, il ragazzo di Max (Kat Dennings). Ha anche fatto un cameo nel video 2012 di Taylor Swift per “We Are Never Ever Getting Back Together” come suo ex interesse amoroso.

Nel 2012, Mills è stato classificato numero tre in “The Money Guys” da Models.com Nella classifica 2013, è stato classificato numero cinque.

Nel 2012, Mills ha recitato in Candyland, un cortometraggio scritto e diretto da Jouri Smit. Il film è un film d’arte di 19 minuti che mostra, con effetto devastante, la misura in cui l’abuso di farmaci da prescrizione ha raggiunto livelli epidemici. Il film è un film silenzioso, ma silenzioso nel senso che, anche se i rumori ambientali possono essere sentiti, le voci no.

Nel 2013, Mills ha recitato in WRACKED, un cortometraggio diretto da Victoria Mahoney, che ha anche scritto e co-prodotto. Mills interpreta Sean, che torna a casa dopo aver scontato una pena detentiva di cinque anni e deve fare i conti con “i resti di una vita interrotta”. Per questo ruolo, Mills ha vinto il premio come miglior attore al Golden Egg Film Festival 2013. Il film è stato anche nominato per il miglior corto e il miglior attore non protagonista (Beau Knapp).

Mills è stato inserito come uno dei volti nel numero di settembre 2015 di Details, come modello di copertina insieme ad altri trenta top model maschili, che è stato fotografato da Mark Seliger.

Nel 2018, Mills ha recitato in The Brave come sergente Joseph “McG” McGuire, insieme a Mike Vogel e Anne Heche. Ha interpretato un medico da combattimento che lavora all’interno di un gruppo elitario di ufficiali dell’intelligence dell’esercito.

Nel 2019, Mills ha recitato in The Enemy Within nel ruolo dell’agente speciale Jason Bragg, insieme a Jennifer Carpenter e Morris Chestnut.

Nel 2020, Mills si è unito al cast di The Falcon and the Winter Soldier.