Роль у фільмі «Нічна зміна[da]» зробило його ім'я популярним на батьківщині, після чого він брав участь в безлічі європейських кіно- і телепроєктах (в основному в скандинавських країнах). В американській індустрії розваг дебютував у проєктах телекомпанії Fox: телесеріал«Новий Амстердам[en]» (2008), у якому зіграв безсмертного детектива Джона Амстердама і фільм 2009 року «Віртуальність», де виконав роль капітана космічного корабля Френка Пайка. Останній фільм був спочатку задуманий як серіал, проте після виходу пілотного випуску було прийнято рішення випустити повнометражну версію.[6]
Крім акторської кар'єри, в Данії Костер-Вальдау відомий також як сценарист, продюсер та режисер.
З 2011 по 2019 рік знімався у популярному серіалі "Гра престолів" у ролі Джейме Ланністера. Серіал заснований на серії фентезійних романів Джорджа Р. Р. Мартіна "Пісня льоду і полум'я". За роль Джеймі Ланністер Вальдау була номінована на численні нагороди, серед яких "Еммі", премія Гільдії кіноакторів, телевізійна премія "Вибір критиків"[8], премія "Сатурн"[9] та премія "Вибір глядачів".[10]
Видатна роль у "Грі престолів" призвела до того, що Костер-Вальдау став одним з десяти акторів, зображених на поштовій марці 2018 року у Великій Британії.[11]