Barton a apărut ulterior în drama independentă Lost and Delirious (2001) și a avut un rol de invitat ca prietena lui Evan Rachel Wood în Once and Again de la ABC (2001–02). A interpretat-o pe Marissa Cooper în serialul de televiziune The O.C. de la Fox (2003–2006), pentru care a primit două Teen Choice Awards. Rolul i-a adus lui Barton faimă în mainstream, iar Entertainment Weekly a numit-o "It Girl" a anului 2003.
De atunci, Barton a apărut în remake-ul de comedie St Trinian's (2007), drama Closing the Ring regizată de Richard Attenborough (2007) și Assassination of a High School President (2008). S-a întors la televiziune, jucând în scurtul serial produs de Ashton Kutcher, The Beautiful Life (2009).
În 2012, s-a întors pe scenă, interpretând în producția irlandeză Steel Magnolias. A apărut și alături de Martin Sheen în Bhopal: A Prayer for Rain (2014). A primit aprecieri critice pentru rolurile sale în filmele independente, Los Angeles Times lăudându-i "performanța remarcabilă" în Starcrossed (2014). Barton a fost distribuită în primul sezon al serialului MTV The Hills: New Beginnings (2019–2021), un reboot al The Hills. În 2023, a fost distribuită într-un rol de invitat extins pentru telenovela australiană