Po rozpoczęciu kariery w 2001 roku, Mills awansował do współpracy z wieloma firmami modowymi, przede wszystkim Wilhelmina Models, od której rozpoczął swoje życie modela. W 2004 roku, Mills zadebiutował jako model na wybiegu dla jesiennych kolekcji Gucci i Yves Saint Laurent w Mediolanie i Paryżu. Na początku 2005 roku podpisał kontrakt z Dolce & Gabbana.
Od wielu sezonów jest stałym bywalcem pokazów Dolce & Gabbana, Versace i Michael Kors. W 2009 roku Mills pojawił się w nagiej kampanii Dolce & Gabbana Anthology Fragrance wraz z wieloma innymi uznanymi modelami, w tym Claudią Schiffer, Naomi Campbell i Tysonem Ballou.
W 2010 roku pojawił się w filmie Sex and the City 2 naprzeciwko postaci Kim Cattrall, Samanthy Jones. Mills stał się jednym z modeli do gwiazdy w Lacoste „nowy wygląd” kampanii w styczniu 2011 roku, innej koncepcji reklamowej pod nowym tagline, „Unconventional Chic”. Reklamy zostały nakręcone przez Mert i Marcus, pokazując modeli noszących kultowe białe koszulki polo Lacoste noszone na fantazyjne czarny strój wieczorowy.
W 2011 i 2012, Mills pojawił się w CBS sitcom 2 Broke Girls, grając rolę Robbiego, Max (Kat Dennings) chłopaka. Zrobił również cameo w teledysku Taylor Swift z 2012 roku do „We Are Never Ever Getting Back Together” jako jej były love interest.
W 2012 roku Mills został sklasyfikowany jako numer trzy w „The Money Guys” przez Models.com W rankingu 2013, został sklasyfikowany jako numer pięć.
W 2012 roku Mills wystąpił w Candyland, filmie krótkometrażowym napisanym i wyreżyserowanym przez Jouri Smit. Film jest 19-minutowym filmem artystycznym, który pokazuje, do druzgocącego efektu, zakres, w którym nadużywanie leków na receptę osiągnęło poziom epidemii. Film jest filmem niemym, ale niemym w taki sposób, że choć słychać odgłosy otoczenia, głosy nie mogą.
W 2013 roku Mills wystąpił w WRACKED, filmie krótkometrażowym w reżyserii Victorii Mahoney, który również napisał i współprodukował. Mills gra Seana, który wraca do domu po odbyciu pięcioletniego wyroku więzienia i musi zmagać się z „pozostałościami przerwanego życia.” Za tę rolę Mills zdobył nagrodę dla najlepszego aktora na Golden Egg Film Festival w 2013 roku. Film był również nominowany w kategorii najlepszy film krótkometrażowy i najlepszy aktor drugoplanowy (Beau Knapp).
Mills pojawił się jako jedna z twarzy w wydaniu Details’ September 2015, za model okładki wraz z trzydziestoma innymi topowymi modelami męskimi, który został sfotografowany przez Marka Seligera.
W 2018 roku Mills wystąpił w filmie The Brave jako Sgt. Joseph „McG” McGuire, wraz z Mike’em Vogelem i Anne Heche. Zagrał medyka bojowego pracującego w elitarnej grupie oficerów wywiadu wojskowego.
W 2019 roku Mills wystąpił w The Enemy Within jako agent specjalny Jason Bragg, wraz z Jennifer Carpenter i Morrisem Chestnutem.
W 2020 roku Mills dołączył do obsady filmu The Falcon and the Winter Soldier.
.