C'est au théâtre que le jeune britannique Asa Butterfield se familiarise avec le monde artistique. Habitué du "Young Actor's Theatre" d'Islington, situé dans la banlieue nord de Londres, il décroche alors des rôles mineurs pour la télévision et le cinéma (Le Fils de Rambow en 2007) alors qu'il n'a pas encore 10 ans.

Ses premières expériences lui valent d'être choisi pour incarner le personnage de Bruno dans le film Le Garçon au pyjama rayé. Sa prestation est remarquée par la communauté du septième art et lui permet d'être nommé au "British Independant Film Awards" ainsi qu'au "Young Artists Awards" en 2008.

Après avoir endossé le costume d'un jeune druide dans la série Merlin, on le retrouve en tête d'affiche de Nanny McPhee et le big bang, gros succès box-office de l'année 2010, qui permet à Asa de bénéficier d'une reconnaissance mondiale. Dès lors, sa carrière semble bel et bien lancée. Le jeune londonien obtient même la confiance de Martin Scorsese qui lui confie le rôle tant convoité du petit Hugo Cabret aux cotés de Jude Law.

La carrière du jeune homme est lancée ! Dans la foulée, il donne la réplique à Harrison Ford dans le film de SF La Stratégie Ender. L'acteur y incarne Ender Wiggin, un garçon timide mais doté d’une exceptionnelle intelligence tactique. En 2015, Asa change de registre avec Le Monde de Nathan. Il prête ses traits au personnage principal, un adolescent souffrant de troubles autistiques et prodige en mathématiques. L'année suivante, le britannique est engagé par Tim Burton pour incarner Jacob, le héros de Miss Peregrine et les enfants particuliers, un conte fantastique dans lequel il côtoie la belle et mystérieuse Eva Green. On le verra par la suite dans The Space Between Us, film de SF avec Gary Oldman et Britt Robertson et Arrivals, drame où il tombe sous le charme de la jolie et pétillante Maisie Williams.

En 2019, Asa Butterfield incarne le jeune Otis Milburn dans la série Sex Education et donne la réplique à Gillian Anderson.