Charlie Hunnam hizo una aparición como invitado en la popular serie de televisión Byker Grove (1989).

Ganó fama en Gran Bretaña gracias a su papel televisivo como el enamorado Nathan Maloney en Queer as Folk (1999). Siguieron películas independientes, series de televisión y audiciones para superproducciones como Star Wars: Episode II - Attack of the Clones (2002), pero no fue hasta 2002 que Charlie empezó a atraer la atención internacional, cuando secundó a Katie Holmes en el thriller de suspense Abandon (2002).

Su primer papel protagonista en una película fue en Nicholas Nickleby (2002). Después, interpretó un personaje fundamental en el drama adaptado con un reparto potente Cold Mountain (2003). Esta fue la primera parte que Charlie ha nombrado en su "trilogía de hombres locos". Las dos que siguieron fueron en Green Street (2005) y Children of Men (2006). El papel de Charlie en Green Street Hooligans llamó la atención de Kurt Sutter, quien lo eligió para interpretar al protagonista de su serie de televisión Sons of Anarchy (2008). La serie sobre un club de motociclistas fuera de la ley se convirtió en el programa más popular de FX y en un éxito de crítica. Tras su fama en la televisión estadounidense, Charlie tuvo su primer papel protagonista en una película que fue un éxito comercial, Pacific Rim (2013).