Nat Wolff er mest kjent for å spille Isaac i den romantiske ungdomsfilmen The Fault in Our Stars (2014), som også var hans store gjennombruddsrolle. Han startet karrieren med å spille en fiksjonsversjon av ham selv i The Naked Brothers Band, som er navnet på både bandet han deler med broren Alex og Nickelodeon-serien som de to spilte i.
Han spilte deretter mindre biroller i små filmer, før han for alvor ble lagt merke til i 2012 da han spilte en av hovedrollene i Josh Boones dramakomedie Stuck in Love, som ble rost av kritikerne. Han imponerte regissør Boone så mye at sistnevnte bestemte seg for å gi ham hovedrollen i storfilmen The Fault in Our Stars, som er basert på den populære ungdomsromanen med samme navn av John Green.
En av hans andre filmer er Paper Towns, som også er basert på en ungdomsroman av John Green. Her spiller han hovedrollen Quentin Jacobsen.