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Quando Goth tinha 14 anos, ela foi descoberta no Underage Festival em Londres pela fotógrafa de moda Gemma Booth, que a contratou para a Storm Model Management. Posteriormente, ela apareceu em anúncios da Vogue e da Miu Miu. Começou a fazer audições para filmes aos 16 anos e em 2013, Goth fez sua estreia, interpretando o papel de P no filme erótico-dramático Ninfomaníaca de Lars von Trier, junto com Charlotte Gainsbourg e Willem Dafoe no segmento "The Gun". Goth interpretou Sophie Campbell em um episódio da série de drama criminal da Sky Atlantic, The Tunnel.

Em 2014, ela apareceu no videoclipe da banda Future Unlimited, "Haunted Love", dirigido por Shia LaBeouf. Ela então apareceu no curta-metragem introdutório dirigido por Stephen Fingleton, Magpie, com Martin McCann. Em 2015, Goth interpretou o papel principal de Milja no thriller pós-apocalíptico The Survivalist, o filme estreou no Festival de Cinema de Tribeca de 2015, em 18 de abril de 2015, seguido por papéis como Meg Weathers, no filme de suspense, Everest, dirigido por Baltasar Kormákur, e Hanna Helmqvist em um episódio da série policial Wallander da BBC One.
Em 2016 atuou no filme de terror A Cure for Wellness, e teve papéis coadjuvantes no remake de Suspiria (2018) e no filme de ficção científica High Life (2018). Goth apareceu no curta-metragem de Guadagnino, The Staggering Girl (2019) e na comédia romântica de época, Emma (2020). Em 2021, estrelou o filme de drama de ação de Karen Cinorre, Mayday, com Grace Van Patten e Juliette Lewis. Goth estrelou o filme de terror, X, lançado em março de 2022 e aclamado pela crítica. Ela recebeu elogios por seus papéis como a protagonista Maxine Minx e antagonista Pearl, com West afirmando: "Ela entendeu os personagens muito bem e entendeu a dualidade de Maxine e Pearl". que ela co-escreveu com West e começou a filmar imediatamente após X. O filme foi lançado em setembro de 2022 com críticas positivas. A atuação de Goth no filme recebeu elogios unânimes de Williams Earl, em um artigo para a Variety, afirmando que ela merece atenção do Óscar.

Goth retomará o papel de Maxine Minx na sequência MaXXXine. Em 2023, ela protagonizará Infinity Pool, de Brandon Cronenberg, ao lado de Alexander Skarsgård.