Cooper comenzó su carrera tras un pequeño papel como invitado en un episodio de Sexo en Nueva York en 1999. Protagonizó su primera película West Hot American Summer (2001).
A continuación, Cooper obtuvo el papel de Will Trippin en la serie dramática Alias. Después de dejar Alias en 2003, Cooper actuó como invitado en la serie de televisión de corta duración Miss Match, y más tarde volvió dos veces a Alias para retomar su papel en apariciones como invitado.
Después, Cooper empezó a protagonizar pequeñas películas para la televisión en ABC Family. Protagonizó Quiero casarme con Ryan Banks. Luego apareció en una serie de televisión llamada Jack & Bobby.
En marzo de 2006, Cooper protagonizó Tres días de lluvia en Broadway con Julia Roberts y Paul Rudd en el teatro Bernard B. Jacobs.
Cooper apareció en la quinta temporada de Nip/Tuck como Aidan Stone, una estrella de la televisión en el programa ficticio Hearts 'N Scalpels. En 2008, Cooper tuvo papeles en Yes Man con Jim Carrey y en The Rocker con Rainn Wilson. El 7 de febrero de 2009, Cooper fue el anfitrión de Saturday Night Live.
En 2009, Cooper protagonizó las películas He's Just Not That Into You, Case 39, All About Steve y ''The Hangover''. En 2012, actuó junto a Robert De Niro y Jennifer Lawrence en Silver Linings Playbook, de David O. Russell.
En 2013, Cooper retomó su papel de Phil Wenneck en la tercera y última entrega de la trilogía de The Hangover, The Hangover Part III. Ese año, Cooper protagonizó American Hustle, con Christian Bale, Amy Adams, Jeremy Renner y Jennifer Lawrence. Su actuación le valió una nominación al Oscar al mejor actor de reparto.
Protagonizó Guardianes de la Galaxia, poniendo la voz de Mapache Cohete. Cooper protagoniza el remake de 2018 de Ha nacido una estrella junto a Lady Gaga. Cooper también dirige el remake. En 2019, produjo la película de suspense de cómic Joker.