2001年にキャリアをスタートさせたMillsは、数々のファッション会社と仕事をするようになり、特にWilhelmina Modelsは彼のモデル人生をスタートさせるきっかけとなった場所である。 2004年、ミラノとパリで開催されたグッチとイヴ・サンローランの秋のコレクションで、ランウェイモデルとしてデビューしました。 2005年初頭、ドルチェ&ガッバーナと契約。

ドルチェ&ガッバーナ、ヴェルサーチ、マイケル・コースのショーに何シーズンも出演している。 2009年には、クラウディア・シファー、ナオミ・キャンベル、タイソン・バルーなどの有名モデルとともに、ドルチェ&ガッバーナ アンソロジー フレグランスの裸のキャンペーンに出演しました。

2010年には、「セックス・アンド・ザ・シティ2」でキム・キャトラル演じる主人公、サマンサ・ジョーンズの相手役として出演しています。 ミルズは、2011年1月にラコステの「ニュールック」キャンペーンに出演したモデルの一人となり、「アンコンベンショナルシック」という新しいキャッチフレーズのもと、これまでとは異なる広告コンセプトで展開されました。 広告はマートとマーカスによって撮影され、派手な黒のイブニングウェアの上に着用された象徴的な白いラコステポロシャツを着たモデルを示していた。

2011年と2012年に、ミルズは、マックス（カットデニング）の彼氏、ロビーの役割を果たし、CBSシットコム2 Broke Girlsに出演しました。 また、テイラー・スウィフトの2012年の「We Are Never Ever Getting Back Together」のビデオに、彼女の元恋人としてカメオ出演しました。

2012年、ミルズはModels.comによる「The Money Guys」で第3位にランクインしました。2013年のランキングでは、第5位でした。

2012年に、ミルズはJouri Smitによって監督・脚本のショートフィルム、Candylandに主演しています。 この映画は、処方箋薬の乱用がどの程度まで蔓延しているかを、破壊的な効果をもって示す19分のアートフィルムです。 この映画はサイレント映画ですが、周囲の音は聞こえても、声は聞こえないという意味でサイレントです。

2013年、ミルズ氏は、ヴィクトリア・マホーニー監督の短編映画『WRACKED』に主演し、脚本と共同制作も担当しました。 ミルズが演じたショーンは、5年の刑期を終えて家に戻り、”中断された人生の残骸 “と戦わなければなりません。 この役でミルズは、2013年のゴールデンエッグ映画祭で最優秀男優賞を受賞しています。 また、同作品は最優秀短編賞と最優秀助演男優賞（ボー・ナップ）にもノミネートされました。

ミルズはDetailsの2015年9月号で、マーク・セリガーが撮影した他のトップ男性モデル30人とともにカバーモデルとして顔の1人として取り上げられました。

2018年に、ミルズは『The Brave』でジョセフ “McG” マクガイヤー軍曹として、マイク・フォーゲルやアンへチと共に主演を務めました。 彼は軍の情報将校のエリートグループの中で働く戦闘衛生兵を演じた。

2019年、ミルズはジェニファー・カーペンター、モリス・チェスナットと一緒に、特別捜査官ジェイソンブラッグとして「The Enemy Within」に出演した。

2020年、ミルズが『ファルコンとウィンター・ソルジャー』のキャストに参加。