Bartha memulakan karier filemnya di belakang kamera sebagai pembantu penerbitan bagi filem Analyze This. Debut lakonannya tiba dengan filem pertamanya, 54, sebagai pengunjung kelab malam. Dia menulis dan mengarahkan sebuah filem pendek, Highs and Lows dengan Darrell M. Smith sebagai penerbit bersama, yang ditayangkan di Festival Filem South by Southwest pada 2003.[6] Selain itu, dia menulis, menerbitkan dan membintangi rintis MTV berjudul The Dustin and Justin Show.[6]

Bartha memegang watak utama dalam Gigli dan Carnival Sunyang dihentam teruk pada 2003 sebelum watak bersamanya dalam National Treasure (2004) sebagai Riley Poole, yang melonjakkannya ke dalam arus perdana.[7]

Pada 2006, Bartha memegang watak dalam Failure to Launch dan Teachers terbitan NBC yang hanya ke udara sebanyak enam episod.

Pada November 2007, Bartha membintangi drama-komik indie, Holy Rollers. Wataknya mengumpan seorang Yahudi Hasidi muda (Jesse Eisenberg) menjadi seorang pengedar pil khayal. Penggambaran bermula pada musim bunga 2008 di New York, dan filem itu diterbitkan pada 2010.[8] Bartha berpasukan kembali dengan Eisenberg dalam Asuncion.[9] Bartha juga membintangi bersama Catherine Zeta-Jones dalam filem Bart Freundlich, The Rebound yang mengisahkan pemuda berumur 25 tahun yang memulakan hubungan cinta dengan jirannya yang merupakan seorang ibu tunggal yang lebih berusia, penggambaran filem itu bermula pada April 2008 di New York dan berakhir pada Jun. Dalam siri filem komedi The Hangover, dia memegang watak Doug Billings, salah seorang anggota "Wolfpack" yang melakukan perjalanan hujung minggu bersama trio itu. Setelah berparti liar selama bermalam-malam, dia hilang dan rakan-rakannya terburu-buru mencarinya di merata tempat.

Bartha membintangi sebagai Max dalam teater kebangkitan semula Broadway Lend Me a Tenor oleh Ken Ludwig. Dia membuat persembahan bersama Tony Shalhoub, Anthony LaPaglia, Brooke Adams, dan Jan Maxwell. Sebuah komedi farsa, ia diarahkan oleh Stanley Tucci dan pratontonnya bermula di Music Box Theatre pada 11 Mac 2010, dengan tarikh pembukaan rasminya adalah pada 4 April 2010. Pada 2011, Bartha menandatangani untuk membintangi tayangan perdana teater Zach Braff, All New People di Second Stage Theatre. All New People bermula pada 28 Jun dan berlanjutan hingga pertengahan Ogos. Anna Camp, David Wilson Barnes dan Krysten Ritter turut membintangi dalam produksi ini di bawah arahan Peter DuBois.[10] Pada Februari 2012, Bartha menandatangani untuk turut membintangi dalam pilot komedi NBC, The New Normal.[11] Pada 7 Mei 2012, NBC mengarahkan projek itu disirikan.[12] Rancangan itu berkisarkan satu pasangan gay (yang dilakonkan Bartha dan Andrew Rannells) dan ibu tumpang (Georgia King) yang dipilih mereka untuk mengandungkan anak mereka. Tayangan perdananya adalah pada 11 September 2012,[13] tetapi dibatalkan secara rasmi pada tahun berikutnya pada 10 Mei 2013.[14]

Pada 2014, Bartha membintangi satu lagi teater Jesse Eisenberg, A Little Part of All Of Us, bersama Eisenberg, untuk Playing On Air, sebuah organisasi tanpa faedah yang “merakam teater pendek bagi radio umum dan fail media digital yang ditulis oleh penulis-penulis lakon yang handal dan dipersembahkan oleh pelakon-pelakon yang cemerlang.”[15][16]