Talitha Bateman nunca tomó clases de actuación pero, en 2013, apareció por primera vez como actriz infantil en un episodio de la serie de televisión The Middle. Luego apareció en tres episodios de la serie de comedia y drama Hart of Dixie de The CW, interpretando el papel recurrente de Scarlett Kincaid durante la temporada 2015. Interpretó a Teacup en la película de ciencia ficción de 2016 La Quinta Ola, protagonizada a Chloë Grace Moretz. Bateman interpretó el papel principal de Janice/Annabelle en la precuela de terror Annabelle 2: la creación (2017) y desde entonces las puertas de la industrian se le han abierto, otorgándole papeles importantes en comedias juveniles como Love, Simon (2018) y Just between us (2019). En el 2020 protagonizó el filme de horror, La hora de tu muerte y su siguiente es la serie de ciencia ficción, Away.