Carpenter conseguiu seu primeiro papel como atriz em 2011, com uma participação especial no drama da NBC Law & Order: Special Victims Unit. Na mesma época, ela se apresentou ao vivo na estação de televisão chinesa Hunan Broadcasting System, para o festival Gold Mango Audience. Ela cantou "Something’s Got a Hold on Me" de Etta James, no estilo de Christina Aguilera no filme Burlesque. Menos de dois anos depois, Carpenter conseguiu um papel recorrente na série The Goodwin Games da Fox como a jovem Chloe, um papel recorrente no filme do Disney Channel, Gulliver Quinn, e no piloto da série da ABC, The Unprofessional.

Ela interpretou o jovem Merrin no filme de 2013, Horns. Carpenter cantou Smile para o álbum Disney Fairies: Faith, Trust, and Pixie Dust"; a música foi lançada na Radio Disney. Sua canção “All You Need” também é destaque na primeira temporada de Princesa Sofia.

Em janeiro de 2013, Carpenter foi escalado como Maya Hart na série Riley e o mundo, do Disney Channel, ao lado de Rowan Blanchard. A série é uma sequencia da série da ABC de 1993–2000, Boy Meets world. Carpenter também assinou um contrato de cinco discos como artista musical da Hollywood Records. Em 14 de março de 2014, o single de estréia de Carpenter, Can't Blame a Girl for Trying, estreou na Radio Disney e foi lançada no iTunes no final do dia. A música é a faixa-título em seu EP de estréia, lançado em 8 de abril, que foi bem recebido. Carpenter é destaque na música tema Garota Conhece o Mundo, Take On The World, ao lado de Rowan Blanchard. Carpenter apresentou a música "Stand Out" no filme original do Disney Channel, O Rapaz Ideal, que estreou em 15 de agosto de 2014 no Disney Channel. Em 20 de julho de 2014, Carpenter contribuiu com os vocais principais para a versão cover de Do You Want to Build a Snowman? do Disney Channel Circle of Stars[26] Em janeiro de 2015, foi anunciado que Carpenter, juntamente com Sofia Carson, estrelaria um filme original do Disney Channel, intitulado Adventures in Babysitting, baseado no filme Adventures in Babysitting, de 1987.

Em 16 de março de 2018, ela lançou o single Alien, com Jonas Blue. Eles tocaram a música juntos no Jimmy Kimmel Live! em 21 de março de 2018. Em 2017, Carpenter foi escalada para o filme O Ódio Que Você Semeia, baseado no romance de Angie Thomas. O filme foi lançado em outubro de 2018. Em 2018, ela foi escalada para o elenco regular do piloto de comédia da NBC So Close, e no filme de drama The Short History of the Long Road.[ Em maio de 2018, Carpenter foi incluído no "25 jovens da Geração Z mudando o mundo" da revista Nylon.

Em janeiro de 2021, Carpenter lançou a música "Skin", seu primeiro lançamento com a nova gravadora Island Records. A música também marca sua primeira entrada na Billboard Hot 100 em #48.Em abril do mesmo ano a atriz foi confirmada no elenco do filme de comédia da produtora Amazon Prime Emergency. Em setembro de 2021, Carpenter lançou o single "Skinny Dipping" o primeiro de seu álbum Emails I Can't Send. Em fevereiro de 2022, ela lança o segundo single do álbum, "Fast Times". Em julho de 2022, Carpenter lançou o terceiro single, "Vicious", e era o último single até o lançamento oficial do álbum. Em 15 de julho de 2022, Carpenter lançou o álbum Emails I Can't Send. Em setembro de 2022, Carpenter anunciou a Emails I Can't Send Tour, uma turnê que passou por quatro continentes. Em novembro de 2022, Carpenter lançou o quarto e último single do álbum, "Nonsense". Em março de 2025, Carpenter retornou a sua turnê Short n' Sweet Tour, com novas roupas e uma nova música na setlist, "Busy Woman".

Em abril de 2025, "Fortnite" lançou uma colaboração com Sabrina Carpenter, apresentando seu personagem jogável homônimo como destaque da 8ª temporada do Fortnite Festival. A parceria também incluiu diversos cosméticos temáticos no jogo, como gestos e faixas musicais exclusivas