בגיל 15 שיחקה בגרסה האמריקאית של הסדרה "אחרי הצלצול" בערוץ דיסני בשנת 2007. באותה השנה, קיבלה תפקידים בסרט הטלוויזיה המוזיקלי "קאמפ רוק" מבית היוצר של וולט דיסני ובסדרת הטלוויזיה "תנו לסוני צ'אנס", גם היא של דיסני. "קאמפ רוק" היווה את הפריצה התודעתית הגדולה של לובאטו כאשר יצא אל מסכי הטלוויזיה ושודר ביוני 2008. בסרט לובאטו שיחקה בתפקיד ראשי בתור נערה תמימה וחביבה בשם מיטצ'י טורס שהייתה חניכה במחנה קיץ למוזיקת רוק. במהלך השבועיים שלאחר מכן שודרו שני פרקים בהשתתפות לובאטו בסדרה של האחים ג'ונאס "האחים ג'ונאס: חיים את החלום" בתפקיד אורח. עוד בתחילת החודש החל סיבוב ההופעות הראשון של לובאטו, שנקרא "Demi Live! Warm Up Tour". לובאטו הופיעה גם במספר הופעות אורח בסיבוב ההופעות של האחים ג'ונאס, "Burnin' Up Tour", שהתקיים במקביל.
במהלך האודישן לסרט "קאמפ רוק" נחתם חוזה בין לובאטו לבין דיסני על פיתוח הקריירה המוזיקלית של לובאטו. בספטמבר, כשלושה חודשים לאחר שידור הסרט, יצא האלבום הראשון של לובאטו, "Don't Forget" יצא לאור באמצע סיבוב ההופעות. הסינגל הראשון מתוך האלבום נקרא "Get Back" והוא יצא באוגוסט 2008. האלבום טיפס עד למקום השני במצעד בילבורד 200, נמכר ביותר מחצי מיליון עותקים והגיע למעמד אלבום זהב בארצות הברית. באוקטובר 2008 שודר בערוץ דיסני ספיישל של חצי שעה בהשתתפות לובאטו, שנקרא "Studio DC: Almost Live"", בו כוכבי ערוץ דיסני שרים ומופיעים יחד במערכונים קומיים. בדצמבר יצא הסינגל השני, "La La Land", שכלל אלמנטים חזקים של רוק והיה יותר מזוהה עם האלבום. יחד עם הסינגל יצא קליפ מוזיקלי בו הופיעה לובאטו לצד צוות שחקני הסדרה "תנו לסוני צ'אנס". באותו החודש יצא לאקרנים בקולנוע הסרט-מופע של האחים ג'ונאס "האחים ג'ונאס – ההופעה בתלת מימד", סרט המציג הופעה מוזיקלית בתלת מימד. בסרט הוצגו חלקים מההופעות של לובאטו במסגרת סיבוב ההופעות "Burnin' Up Tour" של האחים. חודש מאוחר יותר, ב-20 במרץ, יצא קליפ רשמי לשיר "Don't Forget".
2009–2010: תנו לסוני צ'אנס ו-",Here We Go Again".
ב-2009 הוקלט השיר "Send It On", סינגל צדקה של לובאטו ושיר הנושא של יוזמת "חברי דיסני לשינוי", יחד עם סלינה גומז, מיילי סיירוס והאחים ג'ונאס. כל ההכנסות מהשיר נתרמו לארגוני צדקה סביבתיים שנתמכו על ידי קרן השימור של דיסני ברחבי העולם. קומדיית מצבים בכיכוב לובאטו, "תנו לסוני צ'אנס", עלתה לשידור בפברואר 2009. בסדרה שיחקה לובאטו את סוני מונרו, החברה החדשה בתוכנית בתוך התוכנית "לגמרי במקרה". ביוני של אותה שנה שודר הסרט-טלוויזיה "תוכנית להגנת נסיכות" של דיסני בערוץ דיסני בו השתתפה לובאטו בתפקיד ראשי לצד סלינה גומז. לכבוד הסרט הקליטו גומז ולובאטו את השיר "One and the Same", שיצא מאוחר יותר כסינגל שיווקי.
האלבום השני, "Here We Go Again", יצא ביולי 2009. לובאטו תיארה את הצליל האקוסטי שלו כדומה לזה של ג'ון מאייר. האלבום זכה בעיקר לביקורות חיוביות. האלבום היה האלבום הראשון של לובאטו שהגיע למקום הראשון במצעד בילבורד 200. בשבוע הראשון ליציאתו נמכרו 108,000 עותקים של האלבום, והוא הגיע למעמד זהב לאחר שמכר חצי מיליון עותקים. הסינגל המוביל מהאלבום, "Here We Go Again" היה הסינגל הראשון של לובאטו שהגיע ל-15 הגדולים במצעד בילבורד הוט 100, נמכר ב-862,000 עותקים, הגיע למעמד פלטינה בארצות הברית ונכנס למצעדים בקנדה ובניו זילנד. בינואר 2010 יצא הסינגל השני והאחרון מהאלבום, "Remember December", אך הוא לא הצליח לשחזר את הצלחת קודמו. לובאטו הקליטה את השיר "Gift of a Friend" לפסקול הסרט טינקרבל והאוצר האבוד, אשר יצא לאור באוקטובר 2009. השיר הופיע גם באלבום האוסף " שיצא בשנת 2012.
בין יוני לאוגוסט 2009 יצאה לובאטו לסיבוב הופעות בארצות הברית, ". את סיבוב ההופעות חיממו דייוויד ארצ'ולטה, להקת KSM וג'ורדין פרויט. בטקס פרסי בחירת הנוער 2009 זכה סיבוב ההופעות בפרס סיבוב ההופעות הנבחר.
במרץ 2010 הקליטו לובאטו וג'ו ג'ונאס את "Make a Wave", סינגל הצדקה השני שלהם עבור יוזמת "חברי דיסני לשינוי". במאי הופיעה לובאטו בתפקיד אורח בפרק בעונה השישית בסדרה האנטומיה של גריי, כמתבגרת הסובלת מתסמונת התבקעות התעלה העליונה, אשר אובחנה בשוגג כחולת סכיזופרניה. מאוחר יותר באותה שנה החל סיבוב ההופעות של לובאטו בדרום אמריקה. לובאטו הצטרפה כאורחת לסיבוב ההופעות "Jonas Brothers Live In Concert" של האחים ג'ונאס.
"", בו חזרה לובאטו לגלם את מיטשי טורס, יצא בספטמבר 2010. עם שמונה מיליון צופים בהקרנת הבכורה, היה הסרט לסרט הכבלים הנצפה ביותר באותה שנה. הפסקול שליווה את הסרט יצא באוגוסט 2010. הוא כלל תשעה שירים של לובאטו, בהם "Can't Back Down" ו-"Wouldn't Change a Thing". הפסקול הגיע למקום השלישי במצעד בילבורד 200, עם 41,000 עותקים שנמכרו בשבוע הראשון ליציאתו. הפסקול לסדרה "תנו לסוני צ'אנס" יצא באוקטובר 2010. בפסקול שרה לובאטו ארבעה שירים, בהם "Me, Myself and Time". הוא לא זכה להצלחה והגיע למקום ה-163 בלבד במצעד הבילבורד 200.
2010–2012: Unbroken ו-The X Factor.
ביולי החלה העבודה של לובאטו על האלבום השלישי. האלבום נטה לסגנון האר אן בי. באוקטובר 2010, באחד הלילות החופשיים בזמן סיבוב ההופעות "Jonas Brothers Live In Concert" של האחים ג'ונאס, השתמשה לובאטו באלימות כלפי רקדנית רקע שלקחה חלק בהופעות. בעקבות התקרית נכנסה לובאטו למכון גמילה ב-1 בנובמבר, בעקבות זאת החליטה לובאטו להשהות את קריירת המשחק, ובפרט את ההשתתפות בעונה השנייה של הסדרה "תנו לסוני צ'אנס", על מנת שתוכל להקדיש את מלוא תשומת הלב לשיקום. ההחלטה הובילה לביטול הסדרה.
לאחר שהייה של שלושה חודשים במוסד לגמילה, השתחררה לובאטו, ב-28 בינואר 2011. האלבום השלישי של לובאטו, "Unbroken" יצא בספטמבר 2011. האלבום קיבל ביקורות ממוצעות עד חיוביות; המבקרים שיבחו את היכולות הווקאליות ואת הצמיחה המוזיקלית של לובאטו, אך מצאו את המוזיקה באלבום גנרית יותר לעומת האלבומים הקודמים. הסינגל הראשון מהאלבום, "Skyscraper", יצא ביולי וזכה לשבחים על המילים המעבירות מסר של ביטחון עצמי והערכה עצמית. השיר הגיע למקום העשירי במצעד בילבורד הוט 100, למעמד פלטינה כפולה בארצות הברית ולמעמד כסף בבריטניה. בטקס פרסי הווידאו-קליפים של MTV לשנת 2012 זכה הקליפ לשיר בפרס הווידאו-קליפ עם המסר החברתי הטוב ביותר. הסינגל השני והאחרון מהאלבום, "Give Your Heart a Break", זכה גם הוא להצלחה; הוא הגיע למקום ה-16 במצעד בילבורד הוט 100 ולמקום הראשון במצעד הפופ של בילבורד. השיר היה השיר המצליח ביותר של לובאטו מבחינה מסחרית, והוא הגיד למעמד פלטינה משולשת בארצות הברית.
במאי 2012 חזרה לובאטו אל הטלוויזיה כאשר שימשה כשופט/ת ומנטור/ית בעונה השנייה והשלישית של תוכנית הכישרונות "The X Factor" בגרסה האמריקאית. בעונה השנייה, המתמודדת שלוותה על ידי לובאטו, סיסי פריי, הגיעה למקום השישי בתוכנית. בדצמבר של אותה שנה פורסם וידאו קליפ בערוץ היוטיוב הרשמי של לובאטו, בו לובאטו שרה שיר בשם "Angels Among Us", המוקדש לקרבנות הטבח בבית הספר היסודי סנדי הוק.
2013–2014: Demi וגלי.
במאי 2013 יצא לאור האלבום הרביעי של לובאטו, "Demi", שכלל של סינת'פופ ופופ מסטיק. האלבום זכה לביקורות חיוביות בעיקר, ששבחו את יכולות השירה של לובאטו, אך חלקן מצאו אותו פחות בוגר. האלבום הגיע למקום השלישי במצעד הבילבורד 200 עם מכירות של 110,000 עותקים בשבוע הראשון ליציאתו, שבוע הפתיחה המצליח ביותר בקריירה של לובאטו. האלבום הגיע לעשרת הגדולים גם במצעדים של בריטניה, ניו זילנד וספרד. בנוסף יצא ספר אלקטרוני לאלבום ב-iBook. הסינגל הראשון מן האלבום, "Heart Attack", נמכר ב-215,000 עותקים בשבוע הראשון ליציאתו, שבוע הפתיחה השלישי המצליח ביותר לשנת 2013. השיר הגיע למקום העשירי במצעד בילבורד הוט 100 ולמעמד פלטינה כפולה. הסינגל זכה להצלחה גם בבריטניה, קנדה וניו זילנד. הסינגל השני, "Made in the USA", הגיע למקום ה-80 במצעד הבילבורד הוט 100. הסינגל השלישי, "Neon Lights", הגיע למקום ה-36 במצעד, ולמקום הראשון במצעד שירי הדאנס-קלאב של בילבורד. הסינגל הרביעי, "Really Don't Care" עם הזמרת הבריטית שר לויד, הגיע למקום ה-26 במצעד ההוט 100. מאוחר יותר יצאה גרסת דלוקס של האלבום הרביעי של לובאטו, שכללה שבעה שירים חדשים: ארבע הופעות חיות ושלוש הקלטות אולפן. אחד השירים האלה, בשם "Up", היה שיתוף פעולה עם אולי מארס לאלבום האולפן הרביעי שלו.
באוגוסט 2013 תרמה לובאטו שיר בשם "Heart by Heart" לפסקול הסרט "". לובאטו שיחקה, בארבעה פרקים בעונה החמישית של הסדרה "Glee", בדמות דני, אמנית ניו-יורקית מתחילה שמתיידדת עם רייצ'ל ברי (ליאה מישל) וסנטנה לופז (נאייה ריברה). בנובמבר 2013 יצא לאור הספר הראשון של לובאטו, "Staying Strong: 365 Days a Year", שהיה למעשה אוסף של משפטי עידוד, בין היתר גם ציוצים שכתבה בטוויטר, והגיע לראש רשימת רבי-המכר של הניו יורק טיימס. לובאטו הקליטה את השיר "Let It Go", כחלק מהפסקול של סרט האנימציה "לשבור את הקרח" של דיסני. השיר זיכה את לובאטו בפרס האוסקר על פסקול הסרט הטוב ביותר לשנת 2014. השיר הגיע למקום ה-38 במצעד בילבורד הוט 100 האמריקאי, הקליפ לפסקול השיר ב־vevo הוא הקליפ עם הכי הרבה צפיות ב24 שעות הראשונות עם כ-24.5 מיליון צפיות [נכון ל-2014], והוא השיר עם הכי הרבה צפיות ב24 שעות הראשונות מתוך סרט.