Desde los diez años asistió a Stoke Newington School & Sixth Form: Media Arts & Science College, en Hackney, donde en 2010 cursó el cuarto año de secundaria.

Venció a cientos de chicos en la función y también pasó con éxito simultáneamente las audiciones para un papel en Mr.

En 2008 participó en el episodio "The Beginning of the End" de la serie Merlín, donde interpretó a Mordred, un niño druida condenado a muerte por Uther Pendragon, quien se sentía amenazado por su magia.

Ese año también interpretó a Norman Green en Nanny McPhee and the Big Bang, protagonizada por Emma Thompson.

[6]​ En noviembre de 2015 se informó que Butterfield estaría en el reparto de la tercera película dirigida por Shane Carruth The Modern Ocean, junto a Anne Hathaway, Keanu Reeves, Daniel Radcliffe, Chloe Grace Moretz, Tom Holland, Jeff Goldblum y Abraham Attah.

[11]​ En 2012 diseñó, junto a su padre y su hermano, un videojuego de estrategia por turnos llamado Racing Blind para iPad.