Braga ha fatto il suo debutto nel cortometraggio in lingua portoghese Trampolim (1998) e poi è tornata alla sua scuola. La sua svolta è arrivata quando è stata lanciata come Angélica nel film poliziesco acclamato dalla critica City of God (2002), per il quale ha ricevuto una nomination come miglior attrice non protagonista dal Gran Premio del Cinema Brasile. In seguito, ha frequentato l’università mentre appariva in un paio di film sudamericani ben considerati: Città bassa (2005) e Solo Dio sa (2006). È anche apparsa nel popolare programma televisivo brasiliano Carandiru, Outras Historias (2005).
Braga ha fatto il suo debutto in lingua inglese con un ruolo da protagonista al fianco di Brendan Fraser, Mos Def e Catalina Sandino Moreno nel thriller Journey to the End of Night (2006), presentato in anteprima al 5th Annual Tribeca Film Festival. Ha ricevuto un ulteriore riconoscimento quando è stato poi lanciato al fianco di Will Smith nel thriller d’azione di successo I Am Legend (2007). Successivamente ha avuto ruoli nel film di arti marziali diretto da David Mamet Redbelt (2008), al fianco di Chiwetel Ejiofor, il thriller post-apocalittico Cecità (2008), al fianco di Julianne Moore e Mark Ruffalo, e il dramma poliziesco Crossing Over (2009), al fianco di Harrison Ford, Ray Liotta e Ashley Judd.
Braga ha interpretato Beth nel film di fantascienza Repo Men (2010). Ha interpretato Isabelle nel film d’azione fantascientifico Predators (2010) di Nimród Antal, girato e prodotto da Troublemaker Studios e Robert Rodriguez. Braga è apparso come Frey Santiago nel film d’azione di fantascienza di Neill Blomkamp Elysium (2013), co-interpretato da Matt Damon e Jodie Foster. Nel 2014, ha recitato nel ruolo di Vania nel film brasiliano della giungla The Ardor, come Olivia nel dramma romantico argentino Latitudes, e come Alice Taylor nel thriller d’azione Kill Me Three Times di Kriv Stenders.
Nel 2016, Braga ha interpretato il ruolo di Marisol Kingston nel dramma western The Duel, al fianco di Liam Hemsworth e Woody Harrelson. Nel 2017, ha recitato come Sophia nel dramma cristiano The Shack, al fianco di Octavia Spencer e Sam Worthington, basato sul romanzo omonimo.
Dal 2016, Braga ha recitato nella serie poliziesca Queen of the South, prodotta per USA Network, adattamento del best-seller di Arturo Perez-Reverte La Reina del Sur. La serie ha segnato il primo ruolo televisivo americano di Braga. In precedenza ha avuto piccoli ruoli di supporto in una serie televisiva non inglese.
Braga ha recitato come Cecilia Reyes nel film horror di supereroi The New Mutants, che è stato rilasciato nel 2020. Ha interpretato il ruolo di Maggie Teixeira nella miniserie drammatica della HBO We Are Who We Are, che è stato scritto e diretto dal regista Luca Guadagnino. Braga apparirà anche nel film d’azione di supereroi The Suicide Squad, che è impostato per il rilascio nel 2021.