উডলি ১৯৯৯ রিপ্লেসিং ড্যাড টেলিভিশন চলচ্চিত্রে ছোট একটি চরিত্রে অভিনয়ের মধ্য দিয়ে তার অভিনয় জীবন শুরু করেন। তিনি এরপর দ্য ডিসট্রিক্ট এবং ক্রসিং জর্ডান আরও দুটি ছোট চরিত্রে কাজ করেন। ২০০৪ সালে তিনি আ প্লেস কলড হোম টেলিভিশন চলচ্চিত্রে ক্যালিফোর্নিয়া ফোর্ড নামে প্রধান চরিত্রে অভিনয় করে টিভি চলচ্চিত্র, মিনি ধারাবাহিক বা বিশেষ অনুষ্ঠানে শ্রেষ্ঠ তরুণ অভিনেত্রী বিভাগে ইয়াং আর্টিস্ট অ্যাওয়ার্ডের মনোনয়ন লাভ করেন। তিনি দি ও.সি.-এ কিশোরী কেইটলিন কুপার চরিত্রে এবং ফেলিসিটি: অ্যান আমেরিকান গার্ল অ্যাডভেঞ্চার (২০০৫) টেলিভিশন চলচ্চিত্রে নাম ভূমিকায় অভিনয় করেন। ফেলিসিটি-এর জন্য তিনি হাস্যরসাত্মক বা নাট্যধর্মী টিভি চলচ্চিত্র, মিনি ধারাবাহিক বা বিশেষ অনুষ্ঠানে শ্রেষ্ঠ অভিনয় বিভাগে আরেকটি ইয়াং আর্টিস্ট অ্যাওয়ার্ডের মনোনয়ন লাভ করেন। এরপর তিনি এভরিবডি লাভস রেমন্ড, মাই নেম ইজ আর্ল, সিএসআই: এনওয়াই, ক্লোজ টু হোম ও কোল্ড কেস টেলিভিশন ধারাবাহিকে অতিথি চরিত্রে অভিনয় করেন।

উডলি এরপর এবিসি ফ্যামিলির নাট্যধর্মী ধারাবাহিক দ্য সিক্রেট লাইফ অব দি আমেরিকান টিনেজার (২০০৮-২০১৩)-এ প্রধান চরিত্রে কাজ করেন। তিনি অ্যামি জুয়ের্গেন্স নামক ১৫ বছর বয়সী কিশোরী চরিত্রে অভিনয় করেন, যে জানতে পারে সে অন্তঃসত্ত্বা। ধারাবাহিকটিতে তার পরিবার, বন্ধু ও ক্যালিফোর্নিয়া হাই স্কুলে তার জীবনে তার অন্তঃসত্ত্বা হওয়ার প্রভাব উপস্থাপন করা হয়। এন্টারটেইনমেন্ট উইকলির কেন টাকার তার অভিনয়ের প্রশংসা করে লিখেন, "তার অভিনয় জরাজীর্ণ ধারাবাহিকটিকে প্রতিষ্ঠিত করে। পাঁচ মৌসুম ও ১২১টি পর্ব সংবলিত দর্শকপ্রিয় ধারাবাহিকটি এবিসি ফ্যামিলিতে প্রচারিত সবচেয়ে বেশি দেখা অনুষ্ঠানের একটি।

২০১১ সালে তিনি দ্য ডিসেন্ড্যান্টস চলচ্চিত্রে জর্জ ক্লুনি অভিনীত চরিত্রের জ্যেষ্ঠ কন্যা অ্যালেক্স চরিত্রে অভিনয় করেন। চলচ্চিত্রটিতে তার অভিনয় সমালোচকদের কাছ থেকে ইতিবাচক পর্যালোচনা লাভ করে। দ্য নিউ ইয়র্ক টাইমস-এর এ. ও. স্কট বলেন, "মিস উডলি সাম্প্রতিক সময়ের অন্যতম কঠিন, চতুর ও বিশ্বাসযোগ্য কৈশোর অভিনয় প্রদর্শন করেছেন। ভ্যারাইটির পিটার ডিব্রুজ তার অভিনয়কে "বিস্ময়কর প্রকাশ" বলে অভিহিত করেন এবং বলেন, "অ্যালেক্স চরিত্রে তিনি তার চরিত্রের চাহিদা অনুসারে সীমা ও গভীরতা প্রদর্শন করেছেন। উডলি তার অভিনয়ের জন্য চলচ্চিত্রে শ্রেষ্ঠ পার্শ্ব অভিনেত্রী বিভাগে গোল্ডেন গ্লোব পুরস্কারের মনোনয়ন লাভ করেন এবং শ্রেষ্ঠ পার্শ্ব অভিনেত্রী বিভাগে ইন্ডিপেন্ডেন্ট স্পিরিট পুরস্কার অর্জন করেন। পিপল সাময়িকী তাদের ২০১২ সালের "সর্ব বয়সের সবচেয়ে সুন্দরী" তালিকায় তার নাম অন্তর্ভুক্ত করে। নাইলন ম্যাগাজিনের "ইয়াং হলিউড ইস্যু" উডলিকে আগামীর ৫৫ মুখের একজন হিসেবে গণ্য করে।

২০১৪ সালে উডলি ভেরোনিকা রথের ডাইভার্জেন্ট নামক সর্বোচ্চ বিক্রীত কিশোর উপন্যাস অবলম্বনে নির্মিত একই নামের চলচ্চিত্রে বিয়াত্রিচ "ট্রিস" প্রায়র চরিত্রে অভিনয় করেন। এটি দ্য ডাইভার্জেন্ট ত্রয়ী চলচ্চিত্রের প্রথম কিস্তি। চলচ্চিত্রটি মিশ্র পর্যালোচনা লাভ করে, কিন্তু ট্রিস চরিত্রে উডলির অভিনয় ইতিবাচক পর্যালোচনা লাভ করে। অরল্যান্ডো উইকলির স্যাম অ্যালার্ড লিখেন, "ডাইভার্জেন্ট-এ ট্রিস প্রায়র চরিত্রে তার অভিনয় দিয়ে উডলি চলচ্চিত্রটিকে বাঁচিয়েছেন এবং উত্থান করেছেন যা একেবারেই ব্যর্থ হতে পারতো। ডাইভার্জেন্ট প্রথম সপ্তাহান্তে বক্স অফিসে শীর্ষ স্থানে পৌঁছে এবং ব্যবসায়িক সফলতা অর্জন করে।

২০১৪ সালে পরবর্তী সময়ে তিনি দ্য ফল্ট ইন আওয়ার স্টার্স চলচ্চিত্রে হেজেল গ্রেস ল্যানচেস্টার চরিত্রে শ্রেষ্ঠাংশে অভিনয় করেন। জন গ্রিনের একই নামের উপন্যাস অবলম্বনে নির্মিত চলচ্চিত্রটিতে তিনি ১৬ বছর বয়সী ক্যানসার রোগী চরিত্রে অভিনয় করেন যে তার ক্যানসার সমর্থন গোষ্ঠীর অপর ক্যানসার আক্রান্ত তরুণ অগাস্টাস ওয়াটার্সের (অ্যান্সেল এলগর্ট অভিনীত) প্রেমে পড়ে। গ্রিন টুইটারে উডলি সম্পর্কে লিখেন, "হেজেল চরিত্রের জন্য অনেকগুলো অসাধারণ অডিশন এসেছিল, কিন্তু বইটির জন্য শেইলিনের ভালোবাসা ও উপলব্ধি আমাকে অবাক করেছে। চলচ্চিত্রটি ব্লকবাস্টার তকমা লাভ করে এবং বিশ্বব্যাপী $৩০৭ মিলিয়ন আয় করে। উডলির অভিনয় সমালোচকদের নিকট থেকে ইতিবাচক প্রশংসা অর্জন করে। রোলিং স্টোন-এর পিটার ট্র্যাভার্স তাকে "ভীষণ সুন্দর অভিনেত্রী যিনি প্রমাণ করেছেন তিনি ক্যামেরায় ভুল কাজ করতে অক্ষম এবং শিকাগো সান-টাইমস-এর রিচার্ড রোপার হেজেল চরিত্রে তার অভিনয় সম্পর্কে লিখেন তার অভিনয় "অস্কার জয়ের যোগ্য"।