Austin Butler vient au monde sur la côte ouest, dans une petite ville du comté d’Orange, en Californie. Ses prédispositions artistiques lui permettent de se faire remarquer à seulement 13 ans et de se distinguer très vite dans la musique et le mannequinat. Véritable tête d'ange, ses débuts se font devant les caméras de Ned : comment survivre aux études ? et dans de nombreuses séries très en vogue chez les (pré)adolescents comme Hannah Montana avec Miley Cyrus, Zoé (portée par Jamie Lynn Spears), ou encore iCarly. 2009 marque sa première apparition sur le grand écran avec Les Zintrus, dans lequel il doit faire face à une invasion extraterrestre pour le moins cocasse aux côtés d'Ashley Tisdale, alors star auprès du jeune public avec la série des High School Musical. Mais c'est à la télévision qu'il continue de percer en multipliant les apparitions dans des séries comme Ruby & the Rockits, Les sorciers de Waverly Place et Jonas, ou encore Les experts: Miami et Manhattan. Il décroche au début des années 2010 des rôles récurrents dans des programmes comme Life Unexpected où il campe le petit ami de Britt Robertson, la première saison de Switched dans laquelle il incarne l’adolescent rebelle Wilke, avant d'interpréter pour la CW le bad boy au cœur tendre Sebastian, premier amour de Carrie Bradshaw dans The Carrie Diaries, le prequel de Sex and the City.

Après une poignée d'épisodes d'Arrow, son ascension se poursuit en 2016 avec un rôle de premier plan dans l'adaptation télévisée des best-sellers d'heroic fantasy de Terry Brooks, Les Chroniques de Shannara, à mi-chemin entre Game of Thrones, Hunger Games et Le Seigneur des Anneaux. Le comédien incarne Wil Ohmsford, mi-elfe mi-humain, susceptible de sauver le royaume des Quatre-Terres menacé par de redoutables démons. Ayant hérité de pouvoirs magiques, l'apprenti guérisseur doit apprendre à maîtriser son don pour combattre les forces obscures et malfaisantes.

À l'issue de l'arrêt de la série après deux saisons, c'est au cinéma que la carrière du comédien s'épanouit. En 2019, il tourne sous la direction de deux cinéastes majeurs : Jim Jarmusch et Quentin Tarantino. Devant la caméra du premier, il est un hipster ami de Selena Gomez pour la comédie de zombies The Dead Don't Die. Pour le second, dans Once Upon a Time... in Hollywood, il se glisse dans la peau de Charles "Tex" Watson, membre de la secte de Charles Manson qui a tenu un rôle central dans le meurtre de Sharon Tate.

En 2022, le trentenaire tient ce qui pourrait être le rôle de sa vie avec celui du King dans Elvis, biopic de Baz Luhrmann qui retrace le parcours de la star du rock'n'roll sur trois décennies. Sa prestation habitée enthousiasme la presse au Festival de Cannes, où le film est présenté hors compétition. On le voit ensuite en membre d'un gang de motards dans The Bikeriders (2023), puis en courageux meneur d'escadron dans la série Masters of the Air (2024). Toujours en 2024, Austin Butler se glisse dans la peau du cruel Feyd-Rautha Harkonnen, le neveu du baron Vladimir Harkonnen dans Dune : Deuxième partie.