Pettyfer começou sua carreira como modelo infantil com sete anos de idade, modelou para marcas como Ralph Lauren e Gap.
Seu primeiro comercial foi aos seis anos de idade. Em 2005, depois de
terminar sua carreira de modelo, fez sua estréia profissional atuando na
produção de televisão britânica Tom Brown"s Schooldays, como o personagem principal, Tom Brown; recebeu críticas positivas pelo papel.

Em 2006, interpretou o espião adolescente Alex Rider no filme Stormbreaker, baseado no romance de Anthony Horowitz. O ator venceu 500 candidatos que fizeram teste para o papel. Pettyfer optou por atuar neste filme, ao invés de atuar no filme Eragon. Ele diz que preferiu Stormbreaker porque seria filmado no Reino Unido, na Ilha de Man, ao mesmo tempo em que Eragon seria filmando na República Checa.

Entre seus outros trabalhos, estão Wild Child, onde contracena com Emma Roberts e Tormented. Recentemente apareceu em Beastly, adaptação do romance de Alex Finn, onde interpretou o protagonista Kyle Kingson, contracenando com Vanessa Hudgens. E na adaptação de I Am Number Four, onde interpretou o protagonista John Smith, ao lado de Dianna Agron e Teresa Palmer. O filme foi produzido por Michael Bay. Também contracenou ao lado de Amanda Seyfried em In Time.

Pettyfer foi cotado para interpretar Jace Wayland, na adaptação do best-seller de Cassandra Clare, City of Bones, mas recusou o papel que foi para Jamie Campbell Bower. O ator também foi cotado para aparecer em The Wardstone Chronicles e em The Paperboy, ambos papéis declinados por ele, o último sendo passado para Zac Efron.

Pettyfer irá aparecer em The Butler, ao lado de Nicole Kidman, John Cusack, Alan Rickman, Cuba Gooding Jr e Forest Whitaker; na adaptação Diamond Dogs e em Cali, que terá a direção de Nick Cassavetes.