Tidlige roller og gennembrudRediger
Som 18-årig indledte Ventimiglia en skuespillerkarriere og spillede først en rolle som homoseksuel teenager i Must Be the Music, en kortfilm, der blev udgivet som en del af Strand Releasings Boys Life 2. Han indskrev sig på UCLA, før han fik en rolle i The Fresh Prince of Bel Air og gæstespillede i tv-serier som CSI: Crime Scene Investigation, Sabrina, the Teenage Witch, Law and Order: Special Victims Unit og Boston Public. Han spillede Jed Perry, i den kortlivede Fox tv-serie, Opposite Sex, som oprindeligt blev sendt i 2000.
Fra 2001 til 2006 spillede Ventimiglia den grublende teenager Jess Mariano i Gilmore Girls; han blev introduceret i anden sæson som et af de ledende castmedlemmer. Han skrev under på en spin-off af Gilmore Girls kaldet Windward Circle, som skulle fokusere på forholdet mellem Jess og hans fremmedgjorte far (spillet af Rob Estes), men den foreslåede serie nåede aldrig at blive sendt. Derefter faldt han ned til at være gæstestjerne/tilbagevendende castmedlem, og han kom tilbage i fire episoder i fjerde sæson og to episoder i sjette sæson. I den tredje og sidste sæson af American Dreams spillede Ventimiglia Chris Pierce, den rebelske kæreste til Meg Pryor (Brittany Snow); Pierce og hans enlige mor, Shelly (Daphne Zuniga), en Playboy bunny, flytter ind i huset ved siden af Pryors. I 2005 spillede han en hovedrolle i den afløsende serie The Bedford Diaries midt i sæsonen. Producenterne havde kun Ventimiglia i tankerne, men serien varede kun otte afsnit og var en af flere serier, der ikke blev optaget af det nyoprettede netværk The CW.
Heroes; film- og produktionsarbejdeRediger
I mellem tv-arbejdet havde Ventimiglia biroller i gyserfilmene Cursed (2005), instrueret af Wes Craven, og Stay Alive (2006), samt hovedroller i kortfilmen Intelligence og den lange spillefilm Dirty Deeds (2005). Samme år fik han rollen som Robert “Rocky Jr.” Balboa, sønnen af Rocky Balboa, i den sjette Rocky-udgave Rocky Balboa, som blev udgivet i december 2006.
Han spillede hovedrollen som Peter Petrelli i NBC-serien Heroes, en serie om “almindelige” mennesker, der opdager, at de har superkræfter, og han portrætterede karakteren indtil seriens afslutning i 2010. Ventimiglia producerede og udviklede også en mini webserie kaldet It’s a Mall World som en del af en markedsføringskampagne for American Eagle Outfitters i 2007. I midten af 2007 spillede han hovedrollen som pop/R&B-sangerinden Fergies kærlighedsinteresse i musikvideoen til “Big Girls Don’t Cry”. I 2008 spillede han hovedrollen som en medicinstuderende i gyserfilmen Pathology. Filmen havde Charmed-skuespillerinden Alyssa Milano med i hovedrollen og blev instrueret af Marc Schölermann for MGM.
I 2005 skabte Divide Pictures DSC, eller Divide Social Club, et online og globalt socialt netværk for ligesindede mennesker, som Ventimiglia var medstifter af sammen med sine bedste venner Russ Cundiff og Dino DeMilio, der er radioproducent for The Tom Leykis Show. Ventimiglia, Cundiff og Divide Pictures er gået sammen med Top Cow om at producere tegneserien REST, som vil være en månedlig limited serie. Tegneserien handler om John Barrett, en hvidkarl fra New York, hvis liv ændrer sig, da han bliver afhængig af et stof, der forhindrer ham i at falde i søvn. Divide har også en tegneserie kaldet Berserker skrevet af Rick Loverd.
Film og tv; This Is UsRediger
Efter at have arbejdet sammen med forfatterne Mark Neveldine og Brian Taylor på Pathology, optrådte Ventimiglia i parrets næste film, Gamer. Ventimiglia spillede også med i Xavier Gens apokalypse-thrillerfilm, The Divide.
Ventimiglia var stemmen til Wolverine i den engelske dub af Marvel-animefilmen: Wolverine anime-serien og gentog sin rolle i et afsnit af Marvel Anime: Iron Man og et afsnit af Marvel Anime: Blade. Han vendte ikke tilbage til at lægge stemme til Wolverine i Marvel Anime: X-Men, fordi den serie portrætterede en ældre Wolverine, og i stedet blev Wolverine indtalt af Steven Blum. Han spillede Ned Stax, en tidligere marinesoldat, i Frank Darabonts kortvarige neo-noir kriminaldrama Mob City for TNT. Han gentog også sin rolle som Jess Mariano i Gilmore Girls: A Year in the Life i november 2016. Efter dette fortalte han efter sigende til USA Today, at “jeg hører rygter om, at de bringer alt det tilbage, som jeg nogensinde har været en del af … Jeg synes, det er spændende. Til tider synes jeg dog, at det er for meget. Der er flere historier at fortælle med mange af disse karakterer, men samtidig ligger nogle af disse karakterer for nogle af os skuespillere mere end et årti tilbage i fortiden. Det var spændende at vende tilbage til Gilmore Girls i forbindelse med de fire Netflix-film, men jeg er tilfreds med det. Jeg synes, at historierne blev fortalt. Jeg synes, det var fantastisk for publikum og fans at få bare en lille smagsprøve på den verden igen. Men samtidig synes jeg ikke, at folk skal blive så grådige.”
Med start i efteråret 2016 spillede Ventimiglia hovedrollen over for Mandy Moore i den anmelderroste periodedramaserie This Is Us fra NBC, hvor han spillede Jack Pearson, patriarken i en middelklassefamilie i slutningen af 1980’erne og begyndelsen af 1990’erne i USA. Ventimiglia spiller hovedrollen i den kommende spændingsthriller Devil’s Gate, sammen med Amanda Schull. For sin rolle som Jack Pearson modtog Ventimiglia sin første Emmy-nominering i kategorien Outstanding Lead Actor in a Drama Series.
I 2019 spillede Ventimiglia hovedrollen over for Amanda Seyfried i filmatiseringen af The Art of Racing in the Rain, der er baseret på romanen af Garth Stein.