Willa Holland enamoró al público por primera vez con el papel de Kaitlin Cooper de la serie "Orange County" de Fox en 2005. Desde entonces ha aparecido en trabajos junto a algunos de los más grandes actores como Susan Sarandon, Colin Firth, Catherine Keener y Paul Betanny. En 2008, interpretó a la hija de Susan Sarandon en Middle of Nowhere de John Stockwell para BOLD Films. La película también fue protagonizada por Anton Yelchin y se presentó en el Festival de Cine de Toronto en 2008. En ese mismo año, trabajó junto a Colin Firth en Genova, del director Michael Winterbottom, que cuenta la historia de un padre que después de la trágica muerte de su esposa, se lleva a sus dos hijas a Génova para empezar de nuevo. Sin haber tocado nunca el piano, Willa aprendió a tocar una pieza de Chopin para esta película.

Además también ha estado en la producción Perros de Paja de Screen Gems, que está basada en el film de 1971, protagonizado por Dustin Hoffman. Rod Lurie escribió y dirigió la película, donde Willa comparte reparto con Alexander Skarsgard y James Marsden. Otros de sus proyectos incluyen la serie "Gossip Girl" de CW.

Willa comenzó como modelo en la agencia Ford a la edad de 7 años y ha aparecido en numerosas campañas de publicidad para marcas como Burberry of London, Guess, Gap, Nivea, Ralph Lauren y Abercrombie & Fitch, entre otras.