S herectvím začal již v raném věku a jeho první rolí byl Benji v seriálu Verbotene Liebe. Jeho průlomová role přišla v roce 2003 ve filmu Good Bye, Lenin! nominovaném na Zlatý glóbus. Zde ztvárnil hlavní roli Alexe Kernera a získal za ní ceny evropské filmové akademie. V roce 2004 se objevil ve své první anglicky mluvící roli ve snímku Dámy v letech, po boku hereckých legend Judi Dench a Maggie Smith. V ten samý rok vyhrál cenu People's Choice pro nejlepšího herce za film Láska v myšlenkách a byl nominován ve stejné kategorii za film Občanská výchova. Průlom v jeho kariéře také znamenal film Šťastné a veselé, kde v roli poručíka Horstmayera zúročil své jazykové schopnosti a mluvil třemi jazyky: francouzsky, německy a anglicky. Film je trojjazyčný a zobrazuje vánoční příměří skotských, francouzských a německých vojáků během první světové války.

V roce 2006 byl pozván do porot krátkých filmů a Cinéfondation na Filmovém festivalu v Cannes. V červnu 2006 se objevil v malé roli ve snímku 2 dny v Paříži. Ve stejném roce si zahrál hlavní roli v oceňovaném filmu Salvador (Puig Antich). Ztvárnil zde katalánského anarchistu Salvadora Puig Anticha popraveného během Frankovy éry. Dále se objevil v menší roli v Bourneově ultimátu a ve fantasy filmu Krabat: Čarodějův učeň.

Americkému publiku se představil v roce 2009 v roli německého válečného hrdiny Frederika Zollera ve filmu Quentina Tarantina, Hanebný pancharti. On a celé obsazení získali cenu Screen Actors Guild Award pro nejlepší výkon herců v celovečerním filmu. Ve stejném roce si také zahrál ve třetím filmu Julie Delpy s názvem Čachtická paní.

V květnu 2009 se rozhodl, že bude aktivní i na jiném, než filmařském poli, a založil produkční společnost Fouronfilm. O rok později si zahrál po boku Johna Malkoviche roli mladého nacistického vojáka ve filmu Tranzit. Také se s Clivem Owenem objevil v hororu Nezvaní hosté, režiséra Juana Carlose Fresnadilla.

V roce 2013 ztvárnil Daniela Domscheit-Berga ve filmu WikiLeaks, který o jejím založení. Ve stejném roce se objevil jako pilot Formule 1, Niki Lauda v životopisném snímku Rona Howarda, Rivalové. Film zaznamenal jak komerční, tak i úspěch u kritiků a za ztvárnění Nikiho Laudy získal mnoho nominací, například na Zlatý glóbus, Critic's Choice Award, Screen Actors Guild Award nebo na cenu BAFTA.

V roce 2016 se objevil po boku Emmy Watsonové a Michaela Nyqvista ve filmu Kolonie, který se natáčel od října do prosince 2014 v Jižní Americe, Německu a Lucembursku. Ve stejném roce ztvárnil hlavní zápornou postavu Barona Zema ve snímku Captain America: Občanská válka.

V březnu 2016 navštívil Českou republiku v rámci filmového festivalu Febiofest, kde představil film Kolonie a získal cenu filmových fanoušků z Česko-Slovenské filmové databáze za roli Nikyho Laudy z Rivalů.