Debutó en el cine con la película The Blind Side, del 2009. Luego se hizo conocida por películas como Mirror Mirror (2012), en la que interpretó a Blancanieves, la adaptación del éxito de ventas de Cassandra Clare, Cazadores de sombras: Ciudad de hueso (2013), en la que interpretó a Clary Fray y la adaptación de la novela romántica de Cecelia Ahern, Love, Rosie.

Obtuvo reconocimiento por su rol protagónico en la película Rules Don't Apply (2016), donde interpretó a Marla Mabrey, papel que le valió una nominación a los Globo de Oro 2016, en la categoría de Mejor actriz en película de comedia o musical. Fue nuevamente nominada a los Globo de Oro de 2020 en la misma categoría por su rol protagónico en la serie de Netflix, Emily in Paris.

En 2012 protagonizó Mirror Mirror (2012) la adaptación basada en el cuento clásico de Blancanieves de los Hermanos Grimm, interpretando a Blancanieves y junto a Julia Roberts como la Malvada Reina Clementianna, la malvada madrastra de Blancanieves. Ese mismo año apareció en la cinta Stuck in Love (2012) junto a los actores Greg Kinnear, Jennifer Connelly, Logan Lerman y Nat Wolff.

En el mes de agosto de 2013, se estrenó la película Cazadores de sombras: Ciudad de hueso (2013), que obtuvo críticas mixtas, pero de la que se llevó elogios junto a Jamie Campbell Bower por su actuación, la química que compartían y su gran calidad visual. Collins, ya era fanática de las sagas antes de ser seleccionada y se sintió muy honrada por encarnar a la protagonista, Clary Fray. No se sabe a ciencia cierta si se seguirá con la saga, ya que por la baja taquilla de la película, la productora Constantin Film suspendió indefinidamente la grabación de la secuela Ciudad de Ceniza.

En octubre de 2013 se convirtió en la nueva imagen de la marca Lancôme​ y ese mismo mes apareció en el vídeo musical de la canción "City of Angels" de Thirty Seconds to Mars.

En 2014 protagonizó junto con Sam Claflin la película Love, Rosie, adaptación cinematográfica del libro Where Rainbows End, escrito por Cecelia Ahern.

En 2016, Collins fue parte del piloto de The Last Tycoon, basado en el último libro de F. Scott Fitzgerald, The Last Tycoon. Hizo de Cecelia Brady, hija de Pat Brady, quien fue interpretada por Kelsey Grammer. Sin embargo, la segunda temporada fue cancelada en septiembre de 2017.

En marzo de 2016 se unió al drama To the Bone en el papel principal.​ Se estrenño en el Sundance Film Festival el 22 de enero de 2017. Fue lanzada a nivel mundial por Netflix el 14 de julio de 2017.​ A pesar del tema tabú de la anorexia en la película, su interpretación como Ellen fue llamado un "trabajo ejemplar".

Collins también fue parte del reparto de la película de Netflix, Okja dirigida por Bong Joon-ho, junto a Jake Gyllenhaal y Tilda Swinton. La película compitió por el Palme d'Or en Festival de Cannes 2017 y recibió una ovación de pie durante 4 minutos después de su estreno. Fue lanzada en Netflix el 28 de junio de 2017.

En 2020, Collins protagonizó junto a Simon Pegg el thriller Inheritance dirigida por Vaughn Stein.​ También apareció en Mank, dirigida por David Fincher para la plataforma Netflix.​ Protagonizó la serie Emily in Paris, que se estrenó el 2 de octubre de 2020 a través de la plataforma Netflix.

Collins protagonizará The Cradle, dirigida por Hope Dickinson Leach junto a Jack O'Connell, y en Gilded Rage junto a Christoph Waltz y Bill Skarsgård, producida por Jake Gyllenhaal y dirigida por Charlie McDowell.