แม้ว่าเปญ่าจะเป็นนักแสดงประจำในภาพยนตร์อิสระมาตั้งแต่ปี 1996 แต่บทบาทที่ทำให้เขาโด่งดังมาจาก การแสดงใน ภาพยนตร์สองเรื่องที่เขียนบทโดยพอล แฮกกิส และได้รับรางวัลออสการ์สาขาภาพยนตร์ยอดเยี่ยม ได้แก่Million Dollar Baby (2004) และCrash (2004) โดยเรื่องแรกกำกับโดยคลินต์ อีสต์วูดและเรื่องหลังกำกับโดยแฮกกิส แม้ว่าภาพยนตร์ทั้งสองเรื่องจะได้รับการยกย่องจากนักวิจารณ์ แต่เปญ่าได้รับความสนใจเป็นพิเศษจากบทบาทที่เต็มไปด้วยอารมณ์ในเรื่อง Crashปีต่อมา เขาปรากฏตัวใน ซีรีส์ The Shieldที่ได้รับรางวัลลูกโลกทองคำเขาแสดงนำในภาพยนตร์ของโอลิเวอร์ สโตน ที่สร้างจาก เหตุการณ์โจมตี 11 กันยายน 2001เรื่องWorld Trade Center นอกจากนี้ เขายังมีบทบาทเล็กๆ ใน ภาพยนตร์ เรื่อง Babelของอเลฮานโดร กอนซาเลซ อินาร์ริตูทำให้เขามีเกียรติประวัติที่หาได้ยาก คือปรากฏตัวในภาพยนตร์สามเรื่องติดต่อกันที่ได้รับการเสนอชื่อเข้าชิงรางวัลออสการ์สาขาภาพยนตร์ยอดเยี่ยม

ในปี 1999 เปญ่ารับบทเป็นออสการ์ใน ภาพยนตร์อิสระเรื่อง Bellyfruitซึ่งเป็นภาพยนตร์เกี่ยวกับการตั้งครรภ์ในวัยรุ่นที่ร่วมเขียนบทและกำกับโดยเคอร์รี กรีนในปี 2006 เปญ่ารับบทเป็นซัล คาสโตร ใน ภาพยนตร์ของ HBO เรื่อง Walkout ซึ่งเป็น ครูสอนระดับมัธยมปลายชาวเม็กซิกัน-อเมริกันที่สร้างแรงบันดาลใจให้นักเรียนมัธยมปลายกลุ่มหนึ่งในอีสต์แอลเอต่อสู้เพื่อสิทธิของชาวชิคาโน

เขาแสดงร่วมกับมาร์ค วอห์ลเบิร์กในภาพยนตร์เรื่อง Shooter (2007) ในบทบาทของ นิค เมมฟิส เจ้าหน้าที่ FBI มือใหม่ ในปี 2009 เขารับบทเป็นยามรักษาความปลอดภัยในห้างสรรพสินค้าร่วมกับเซธ โรเกนในภาพยนตร์เรื่อง Observe and Reportของโจดี้ ฮิลล์^{[ 9 ]}

ในปี 2012 เขาได้ร่วมแสดงกับเจค กิลเลนฮาลในบทบาทเจ้าหน้าที่ตำรวจลอสแอนเจลิสใน ภาพยนตร์เรื่อง End of Watchในปีเดียวกันนั้น เขาเริ่มถ่ายทำภาพยนตร์เรื่องCésar Chávezซึ่งเป็นภาพยนตร์ชีวประวัติเกี่ยวกับชีวิตของเซซาร์ ชาเวซผู้นำแรงงาน ชาวอเมริกัน ผู้ก่อตั้งสหภาพแรงงานเกษตรกรแห่งสหรัฐอเมริกาโดยเปญ่ารับบทเป็นชาเวซ^{[ 10 ]}เขาปรากฏตัวร่วมกับแบรด พิตต์ , ชิอา ลาเบิฟ , โลแกน เลอร์แมนและจอน เบิร์นธัล ในภาพยนตร์แอ็คชั่นเรื่อง Fury (2014) ซึ่ง มีฉากหลังเป็นช่วงสงครามโลกครั้งที่สอง^{[ 11 ]}และรับบทเป็นหลุยส์ในภาพยนตร์เรื่อง Ant-Man (2015) ^{[ 12 ]}

ในปี 2015 เปญ่าเป็นนักแสดงนำในบทบาทของเขาบนยานอวกาศ Ares-III ที่เดินทางไปยังดาวอังคาร ในภาพยนตร์ไซไฟเรื่องThe Martian ของ ริดลีย์ สก็อตต์ ที่ได้รับรางวัล เปญ่าแสดงใน ภาพยนตร์เรื่อง 12 Strongร่วมกับคริส เฮมส์เวิร์ธนอกจากนี้เขายังแสดงในภาพยนตร์รีเมคเรื่องA Wrinkle in Time ใน ปี 2018 โดยรับบทเป็นตัวร้ายหลักอย่าง The IT ในร่างมนุษย์ (รู้จักกันในชื่อ "Red") ^{[ 13 ]}ในปี 2020 เปญ่ารับบทเป็นมิสเตอร์โรอาร์กผู้ลึกลับและเข้าใจยากในภาพยนตร์ภาคก่อนเรื่องFantasy Islandซึ่ง ได้รับการวิจารณ์ในแง่ลบ ^{[ 14 ]}

ในเดือนธันวาคม 2017 มีรายงานว่า Peña ได้เข้าร่วมแสดงในซีซั่นที่สี่ของNarcosที่กำลังจะมาถึง^{[ 15 ]}ต่อมามีการเปิดเผยว่าซีซั่นที่สี่จะเป็นซีรีส์ใหม่ชื่อNarcos: Mexicoโดย Peña รับบทเป็นเจ้าหน้าที่DEA ชื่อ Kiki Camarena ^{[ 16 ]}

เปญ่าให้เสียงพากย์ตัวละครริกกี้ในซีรีส์แอนิเมชั่นตลกเรื่องChozenทางช่อง FXและในเรื่อง Turboเขาให้เสียงพากย์เป็นติโต นอกจากนี้เขายังให้เสียงพากย์ตัวละครมาร์เกอริต (ในตอน "Hot Water") ในซีรีส์แอนิเมชั่นยอดนิยมเรื่องAmerican Dad!อีก ด้วย

ในปี 2005 เปญ่าก่อตั้งวงร็อกNico Vega ในลอสแอนเจลิส โดยตั้งชื่อตามนิโคลาซาผู้เป็นมารดา เขาออกจากวงในปี 2007 เพื่อมุ่งเน้นไปที่อาชีพการแสดง แต่ได้ร่วมแต่งเพลง " Beast " ซึ่งติดอันดับที่ 26 ใน ชาร์ต Billboard Hot Rock Songs เปญ่าได้แสดงในมิวสิกวิดีโอ เพลง "Bethel Woods" ของ Midlakeซึ่งเปิดตัวเมื่อวันที่ 12 มกราคม 2022 และกลับมาร่วมวง Nico Vega อีกครั้งในเดือนธันวาคม 2023