Pada tahun 1996, Vega berperan sebagai Harding Jo muda di film Twister. Ia menjadi bintang tamu dalam banyak acara televisi dan film, termasuk ER, Follow the Stars Home, Ghost Whisperer, dan The Bernie Mac Show. Ia menjadi terkenal di seluruh dunia pada tahun 2001 untuk perannya sebagai Carmen Cortez dalam Spy Kids. Film Spy Kids pertama meraih sukses besar dan kemudian dua sekuel selanjutnya, Spy Kids 2: The Island of Dreams Lost dan Spy Kids 3-D: Game Over difilmkan. Ia juga muncul dalam sekuel keempat, Spy Kids 4: All the Time in the World. Pada tahun 2003, ia dijuluki sebagai salah satu selebriti remaja terpanas di Vanity Fair. Pada tahun 2004, Vega menyelesaikan syuting untuk dua film: Sleepover dan State's Evidence, dan pada tahun berikutnya ia membintangi sebuah drama televisi berjudul Odd Girl Out. Ia juga bermain dalam drama TV Walkout. Pada Juni 2006, ia menyelesaikan syuting film Remember the Daze yang dirilis ke teater secara terbatas pada April 2007. Ia juga membintangi film Repo! The Genetic Opera, yang dirilis pada tahun 2008.[4] Vega juga telah dikonfirmasi sebagai pemeran utama dalam film Helix, ditulis dan disutradarai oleh Aram Rappaport, yang syutingnya dimulai di Chicago pada Maret 2008. Vega awalnya akan berperan dalam film Robert Rodriguez, Shorts, namun karena ia sedang berada di Australia untuk pembuatan film Broken Hill, ia harus diganti. Ia digantikan oleh Kat Dennings. Pada tahun 2009, ia memainkan peran Ruby Gallagher di sitkom televisi ABC Family, Ruby & The Rockits, yang juga dibintangi Patrick & David Cassidy. Serial ini tidak diperpanjang untuk musim kedua. Vega berperan sebagai Wick[5] dalam film The Devil's Carnival.[6]