Braga hizo su debut como actriz en el cortometraje en portugués Trampolim (1998) y luego regresó a su escuela. Su gran avance llegó cuando fue elegida como Angélica en la aclamada película de crimen City of God (2002), por la que recibió una nominación a Mejor Actriz de Reparto del Gran Premio Cinema Brazil. Después, asistió a la universidad mientras aparecía en un par de películas sudamericanas de renombre: Lower City (2005) y Only God Knows (2006). También apareció en el popular programa de televisión brasileño Carandiru, Outras Historias (2005).
Braga hizo su debut en inglés con un papel protagonista junto a Brendan Fraser, Mos Def y Catalina Sandino Moreno en el thriller policíaco Journey to the End of Night (2006), que se estrenó en el quinto Festival de Cine de Tribeca. Recibió más reconocimiento cuando fue elegida junto a Will Smith en el thriller de acción I Am Legend (2007). Posteriormente tuvo papeles en la película de artes marciales dirigida por David Mamet Redbelt (2008), junto a Chiwetel Ejiofor, el thriller postapocalíptico Blindness (2008), junto a Julianne Moore y Mark Ruffalo, y el drama criminal Crossing Over (2009), junto a Harrison Ford, Ray Liotta y Ashley Judd.
Braga interpretó a Beth en la película de ciencia ficción Repo Men (2010). Interpretó a Isabelle en la película de acción y ciencia ficción Predators (2010) de Nimród Antal, que fue rodada y producida por Troublemaker Studios y Robert Rodríguez. Braga apareció como Frey Santiago en la película de acción y ciencia ficción de Neill Blomkamp Elysium (2013), co-protagonizada por Matt Damon y Jodie Foster. En 2014, interpretó a Vania en la película de la selva brasileña The Ardor, como Olivia en el drama romántico argentino Latitudes, y como Alice Taylor en el thriller de acción de Kriv Stenders, Kill Me Three Times.
En 2016, Braga interpretó a Marisol Kingston en el drama occidental The Duel, junto a Liam Hemsworth y Woody Harrelson. En 2017, interpretó a Sophia en el drama cristiano The Shack, junto a Octavia Spencer y Sam Worthington, basado en la novela del mismo nombre.
Desde 2016, Braga ha protagonizado la serie de drama criminal Queen of the South, producida para USA Network, una adaptación de la novela superventas de Arturo Pérez-Reverte, La Reina del Sur. La serie marcó el primer papel principal de Braga en la televisión estadounidense. Anteriormente tuvo pequeños papeles secundarios en una serie de televisión no inglesa.
Braga interpretó a Cecilia Reyes en la película de terror de superhéroes The New Mutants, que se estrenó en 2020. Interpretó a Maggie Teixeira en la miniserie dramática de HBO We Are Who We Are, escrita y dirigida por el cineasta Luca Guadagnino. Braga también aparecerá en la película de acción de superhéroes The Suicide Squad, que se estrenará en 2021.