Braga și-a făcut debutul în actorie în scurtmetrajul în limba portugheză Trampolim (1998) și apoi s-a întors la școală. Descoperirea ei a venit atunci când a fost distribuită ca ang Okticlica în aclamatul film criminal City of God (2002), pentru care a primit o nominalizare la cea mai bună actriță în rol secundar de la Marele Premiu Cinema Brazilia. După aceea, a urmat Universitatea în timp ce apărea într-o pereche de filme sud-americane bine apreciate: orașul de Jos (2005) și numai Dumnezeu știe (2006). A apărut și în popularul program de televiziune Brazilian Carandiru, Outras Historias (2005).
Braga și-a făcut debutul în limba engleză cu un rol principal alături de Brendan Fraser, Mos Def și Catalina Sandino Moreno în thrillerul criminal Journey to the End of Night (2006), care a avut premiera la al 5-lea Festival anual de Film Tribeca. A primit o recunoaștere suplimentară atunci când a fost distribuită opus Will Smith în thrillerul de acțiune blockbuster I Am Legend (2007). Ulterior a avut roluri în filmul de arte marțiale regizat de David Mamet centura roșie (2008), alături Chiwetel Ejiofor, thrillerul post-apocaliptic orbire (2008), alături Julianne Moore și Mark Ruffalo, și drama criminală Crossing Over (2009), alături Harrison Ford, Ray Liotta, și Ashley Judd.
Braga a interpretat-o pe Beth în filmul science fiction Repo Men (2010). Ea a jucat rolul Isabellei în filmul de acțiune science fiction Predators (2010), filmat și produs de Troublemaker Studios și Robert Rodriguez. Braga a apărut ca Frey Santiago în Neill Blomkampfilmul de acțiune științifico-fantastic Elysium (2013), în rol principal Matt Damon și Jodie Foster. În 2014, ea a jucat ca Vania în filmul Brazilian jungle Ardor, ca Olivia în drama romantică argentiniană Latitudes și ca Alice Taylor în thrillerul de acțiune al lui Kriv Stenders Kill Me Three Times.
în 2016, Braga a jucat rolul Marisol Kingston în drama Occidentală duelul, alături Liam Hemsworth și Woody Harrelson. În 2017, ea a jucat rolul Sofiei în drama creștină The Shack, alături de Octavia Spencer și Sam Worthington, bazat pe romanul cu același nume.
Din 2016, Braga a jucat în serialul de dramă criminală Regina Sudului, produs pentru USA Network, o adaptare a celui mai bine vândut roman al lui Arturo Perez-Reverte La Reina del Sur. Seria a marcat primul rol principal de televiziune american al lui Braga. Anterior a avut mici roluri secundare într-un serial de televiziune non-englez.
Braga a jucat rolul Ceciliei Reyes în filmul de groază cu supereroi The New Mutants, care a fost lansat în 2020. Ea a jucat rolul Maggie Teixeira în miniseria dramatică HBO We Are Who we Are, care a fost scrisă și regizată de cineastul Luca Guadagnino. Braga va apărea și în filmul de acțiune cu supereroi The Suicide Squad, care va fi lansat în 2021.