Чарли Ханнэм родился в Ньюкасле, Англия, 10 апреля 1980 года. Он переехал в Озерный край, когда его мать снова вышла замуж.

Однажды в 1995 году, когда Чарли Ханнэму было 15 лет, он валял дурака со своими друзьями в обувном магазине. В момент глупости он спросил незнакомую женщину, что она думает о его ботинках. Женщина продолжала рассматривать Чарли, пока ему не стало неловко. Когда Чарли Ханнэм оплачивал покупку на кассе, она подошла к нему и спросила, не думал ли он когда-нибудь сниматься в кино. Оказалось, что эта женщина была менеджером британского телесериала для подростков «Байкер-гроув». Она познакомила Чарли Ханнэма с режиссером. Юноша получил роль в сериале, и так началась актерская биография Чарли Ханнэма.

Затем Чарли Ханнэм снялся в еще двух телесериалах, и в 1999 году он получил роль в сериале «Близкие друзья». Своим исполнением Ханнэм приобрел множество фанатов. Сериал показали в США, и в результате Чарли Ханнэм переехал в Соединенные Штаты, чтобы продолжить там свою карьеру. Он трижды выступил в новом сериале «Молодые американцы» (2000) в роли несимпатичного героя под именем Грегора Райдера. Вскоре фильмография Чарли Ханнэма пополнилась ролью студента колледжа в сериале «Неопределившиеся».

Кинодебют Чарли Ханнэма состоялся в 2002 году, в триллере «Покинутый», в котором он сыграл бойфренда Кэти Холмс. Затем он исполнил главную роль в фильме «Николас Никлби», снятом США и Великобританией.

В 2003 году Чарли Ханнэм принял участие в международном кастинге на фильм «Холодная гора», на который также прибыли Николь Кидман, Рене Зеллвегер и Джуж Лоу.

В 2004 году он вместе с Элайджей Вудом снялся в главных ролях в картине «Хулиганы».

В 2006 году ему досталась небольшая роль в фантастической драме Альфонсо Куарона «Дитя человеческое», где главные роли сыграли Клайв Оуэн, Джулианна Мур и Майкл Кейн.

В 2008 году Чарли получил главную роль в сериале «Сыны анархии» (2008-...), рассказывающем о клубе байкеров, которые пытаются защитить свой городок от наркотиков и влияния извне, хотя сами грешат торговлей оружием.

В 2011 году с Чарли Ханнэмом в свет вышел новый фильм «Цена страсти», где также главная роль досталась Лив Тайлер. В том же году Чарли получил главные роли в еще двух картинах - «Фрэнки наводит шорох» и «Черный дрозд».

В 2013 году ему досталась главная роль в фантастической картине Гильермо дель Торо «Тихоокеанский рубеж».

В 2014 году Чарли был утвержден на главные роли в фильмах - «Багровый пик» (2015), того же Гильермо дель Торо, и в фэнтези Гай Ричи «Король Артур» (2016).