Em 2009, Luddington fez uma participação em uma minissérie de TV titulada como Serving Time, já em 2010 a atriz participou da série The Forgotten como Emma Clark/Jane Doe, ainda no mesmo ano atuou em CSI: Crime Scene Investigation como Claire, Days Of Our Lives como Tiffany e Big Time Rush como Rebecca. Em 2011, a atriz atuou em The Defenders como Talia, Accidentally in Love como Sandra e Friends With Benefits.
Em 2012, Camilla atuou em 10 episódios da série Californication como Lizzie e em 6 episódios de True Blood como Claudette.
Em julho de 2012, Camilla entrou para o elenco da série médica da ABC, Grey Anatomy como Dra. Jo Wilson em um papel recorrente. Em junho de 2013, foi anunciado que seu personagem seria regular da 10 temporada, em diante. Em outubro de 2012, Camilla apareceu em um especial de Halloween do programa de moda popular do canal ”E’s!” Fashion Police, ao lado de Joan Rivers, Kelly Osbourne, George Kotsiopoulos e Kris Jenner. Em 2013 Luddington esteve presente no elenco do filme de TV Tomb Raider: The Final Hours – A Story of Survival como ela mesma e Lara Croft.
Em 2016 a atriz dublou Zatanna Zatara em Justice League Dark.