Braga gab ihr Schauspieldebüt in dem portugiesischsprachigen Kurzfilm Trampolim (1998) und kehrte dann zu ihrer Schule zurück. Ihr Durchbruch gelang ihr, als sie als Angélica in dem von der Kritik gefeierten Krimi City of God (2002) besetzt wurde, für den sie vom Cinema Brazil Grand Prize als beste Nebendarstellerin nominiert wurde. Danach besuchte sie die Universität, während sie in zwei angesehenen südamerikanischen Filmen auftrat: Lower City (2005) und Only God Knows (2006). Sie trat auch in der beliebten brasilianischen Fernsehsendung Carandiru, Outras Historias (2005) auf.Braga gab ihr englischsprachiges Debüt mit einer Hauptrolle neben Brendan Fraser, Mos Def und Catalina Sandino Moreno in dem Krimi Journey to the End of Night (2006), der auf dem 5. jährlichen Tribeca Film Festival Premiere feierte. Sie erhielt weitere Anerkennung, als sie dann neben Will Smith in dem Blockbuster-Action-Thriller I Am Legend (2007) besetzt wurde. Anschließend hatte sie Rollen in dem von David Mamet inszenierten Kampfkunstfilm Redbelt (2008) neben Chiwetel Ejiofor, dem postapokalyptischen Thriller Blindness (2008) neben Julianne Moore und Mark Ruffalo und dem Krimi Crossing Over (2009) neben Harrison Ford, Ray Liotta und Ashley Judd.Braga porträtierte Beth in dem Science-Fiction-Film Repo Men (2010). Sie spielte als Isabelle in Nimród Antals Science-Fiction-Actionfilm Predators (2010), der von Troublemaker Studios und Robert Rodriguez gedreht und produziert wurde. Braga trat als Frey Santiago in Neill Blomkamps Science-Fiction-Actionfilm Elysium (2013) mit Matt Damon und Jodie Foster in den Hauptrollen auf. 2014 spielte sie als Vania im brasilianischen Dschungelfilm The Ardor, als Olivia im argentinischen Liebesdrama Latitudes und als Alice Taylor in Kriv Stenders ‚Action-Thriller Kill Me Three Times.
2016 spielte Braga neben Liam Hemsworth und Woody Harrelson als Marisol Kingston in dem Western-Drama The Duel. 2017 spielte sie neben Octavia Spencer und Sam Worthington als Sophia in dem christlichen Drama The Shack, das auf dem gleichnamigen Roman basiert.
Seit 2016 spielt Braga in der Krimiserie Queen of the South, die für USA Network produziert wurde, eine Adaption von Arturo Perez-Revertes Bestseller La Reina del Sur. Die Serie markierte Bragas erste führende amerikanische Fernsehrolle. Zuvor hatte sie kleine Nebenrollen in einer nicht-englischen Fernsehserie.Braga spielte als Cecilia Reyes in dem Superhelden-Horrorfilm The New Mutants, der 2020 veröffentlicht wurde. Sie spielte als Maggie Teixeira in der HBO-Drama-Miniserie We Are Who We Are, die vom Filmemacher Luca Guadagnino geschrieben und inszeniert wurde. Braga wird auch in dem Superhelden-Actionfilm The Suicide Squad zu sehen sein, der 2021 erscheinen soll.