Comenzó su carrera como actriz en televisión, apareciendo como habitual en la comedia de 2001 Raising Dad, por la que fue nominada para un Young Artist Award.

Su actuación en la comedia Hoot (2006) fue elogiada, y posteriormente interpretó papeles secundarios en las películas Greenberg (2010), Scott Pilgrim vs.

Su actuación revelación en la película independiente Short Term 12, en 2013, le proporcionó elogios y aclamación por parte de la crítica.

[2]​ Tuvo su debut como directora de cine en 2019 con la comedia Unicorn Store, la cual también protagonizó junto a Samuel L. Jackson.

Después de su educación en casa,[5]​ estudió actuación en el American Conservatory Theater en San Francisco, California.

[12]​[13]​ El primer trabajo de Larson fue realizando sketches en el programa The Tonight Show with Jay Leno.

[15]​ Después de que la serie estuviera "en espera" durante diez meses, Fox canceló el show.

En 2003, protagonizó junto a Beverley Mitchell la película original de Disney Channel Right on Track.

[17]​ Larson apareció en la película de 2006 Hoot, junto a Logan Lerman y Cody Linley.

También tuvo un papel como Kate en la película de 2008 Tanner Hall, dirigida por Francesca Gregorini y Tatiana von Fürstenberg.

En 2017 Larson se unió al reparto de Kong: La Isla Calavera, junto a Samuel L. Jackson y Tom Hiddleston, en un rodaje que tuvo lugar en Queensland, Australia.

La cinta narra la historia de una joven mujer exitosa que fue criada por sus padres disfuncionales y no conformistas, y cuyo mundo se vuelve del revés cuando se trasladan a Nueva York para estar cerca de ella.

[27]​ Su última aparición en público como cantante fue en 2010, cuando interpretó la canción "Black Sheep", junto con la banda Metric, en la película de Scott Pilgrim vs.

[31]​ En 2003 se filtró otra pista, "Not a Freak", y esta vez hubo incluso un vídeo musical para esa canción, la cual estaba disponible para su compra en línea.

[38]​[39]​ En una entrevista en el diario español El Confidencial, afirmó: «Ambos compartimos un gran amor por el arte y por la historia, especialmente por el Renacimiento».