Charlie Hunnam fez uma participação especial na popular série de TV Byker Grove (1989).

Ganhou fama na Grã-Bretanha graças ao seu papel televisivo como o apaixonado Nathan Maloney em Queer as Folk (1999). Filmes independentes, séries de TV e audições para blockbusters como Star Wars: Episode II - Attack of the Clones (2002) se seguiram, mas foi só em 2002 que Charlie começou a atrair atenção internacional, quando apoiou Katie Holmes no suspense Abandon (2002).

Seu primeiro papel principal em um filme foi em Nicholas Nickleby (2002). Depois disso, ele interpretou um personagem central no elenco forte do drama adaptado Cold Mountain (2003). Esta foi a primeira parte que Charlie nomeou em sua "trilogia de homens loucos". As duas que se seguiram foram em Green Street (2005) e Children of Men (2006). O papel de Charlie em Green Street Hooligans chamou a atenção de Kurt Sutter, que o escolheu para interpretar o protagonista em seu programa de TV Sons of Anarchy (2008). A série sobre um clube de motociclistas fora da lei tornou-se o programa mais popular da FX e um sucesso de crítica. Após sua fama na TV americana, Charlie teve seu primeiro papel de destaque em um filme que foi um sucesso comercial, Pacific Rim (2013).