C'est le rôle de Connor, jeune fils d'Angel dans l'acclamée série fantastique du même nom créée par Joss Whedon et David Greenwalt, qui le révèle vraiment auprès du grand public. Il incarne ce personnage durant trois saisons, entre 2002 et 2004, de façon récurrente en saison 3, principale en saison 4, puis en tant qu'invité vedette en saison 5.
Ainsi, c'est son interprétation du jeune et ambitieux Pete Campbell, dans la série dramatique Mad Men, créée par Matthew Weiner, entre 2007 et 2014, qui lui permet d'accéder à une reconnaissance critique internationale.
Vie privée
En 2013, il s'est fiancé à l'actrice Alexis Bledel et l'épouse en [1]. En 2015, ils attendent leur premier enfant. Le , la presse people annonce qu'Alexis Bledel a accouché d'un petit garçon. Le 10 août 2022, Vincent Kartheiser a demandé le divorce qui est finalisé le 26 août.
