Braga a fait ses débuts d’actrice dans le court métrage en portugais Trampolim (1998), puis a repris ses études. Sa percée est survenue lorsqu’elle a été choisie pour incarner Angélica dans le film policier acclamé par la critique City of God (2002), pour lequel elle a reçu une nomination au Grand Prix du Cinéma Brésilien pour la meilleure actrice dans un second rôle. Par la suite, elle a fréquenté l’université tout en apparaissant dans deux films sud-américains réputés: Lower City (2005) et Only God Knows (2006). Elle est également apparue dans le populaire programme télévisé brésilien Carandiru, Outras Historias (2005).
Braga a fait ses débuts en langue anglaise avec un rôle principal aux côtés de Brendan Fraser, Mos Def et Catalina Sandino Moreno dans le thriller policier Journey to the End of Night (2006), qui a été présenté au 5e Festival du film de Tribeca. Elle a reçu une reconnaissance supplémentaire lorsqu’elle a ensuite été choisie face à Will Smith dans le thriller d’action à succès I Am Legend (2007). Elle a ensuite joué dans le film d’arts martiaux Redbelt (2008) réalisé par David Mamet, aux côtés de Chiwetel Ejiofor, le thriller post-apocalyptique Blindness (2008), aux côtés de Julianne Moore et Mark Ruffalo, et le drame policier Crossing Over (2009), aux côtés de Harrison Ford, Ray Liotta et Ashley Judd.
Braga interprète Beth dans le film de science-fiction Repo Men (2010). Elle a joué le rôle d’Isabelle dans le film d’action de science-fiction Predators (2010) de Nimród Antal, tourné et produit par Troublemaker Studios et Robert Rodriguez. Braga est apparu comme Frey Santiago dans le film d’action de science-fiction Elysium (2013) de Neill Blomkamp, avec Matt Damon et Jodie Foster. En 2014, elle a joué le rôle de Vania dans le film de jungle brésilien The Ardor, celui d’Olivia dans le drame romantique argentin Latitudes et celui d’Alice Taylor dans le thriller d’action Kill Me Three Times de Kriv Stenders.
En 2016, Braga a joué le rôle de Marisol Kingston dans le drame western The Duel, aux côtés de Liam Hemsworth et Woody Harrelson. En 2017, elle a joué le rôle de Sophia dans le drame chrétien The Shack, aux côtés d’Octavia Spencer et Sam Worthington, basé sur le roman du même nom.
Depuis 2016, Braga joue dans la série policière Queen of the South, produite pour USA Network, une adaptation du roman à succès d’Arturo Perez-Reverte, La Reina del Sur. La série a marqué le premier rôle principal de Braga à la télévision américaine. Elle avait auparavant de petits rôles de soutien dans une série télévisée non anglaise.
Braga a joué le rôle de Cecilia Reyes dans le film d’horreur de super-héros The New Mutants, sorti en 2020. Elle a joué le rôle de Maggie Teixeira dans la mini-série dramatique de HBO We Are Who We Are, écrite et réalisée par le cinéaste Luca Guadagnino. Braga apparaîtra également dans le film d’action de super-héros The Suicide Squad, dont la sortie est prévue pour 2021.