Карлос Ирвин Эстевез родился 3 сентября 1965 года в Нью-Йорке.

Отец: Рамон Джерард Антонио Эстевес (известный как актер Мартин Шин), мать: Джанет Темплтон. В семье ещё два брата и сестра - актёры Эмилио Эстевес, Рамон Эстевес, Рене Эстевес.

Учеба не сильно занимала молодого Шина, единственным его интересом была школьная бейсбольная команда, но и оттуда парня выгнали за постоянные прогулы тренировок. В подростковом возрасте Чарли всерьез увлекался этим видом спорта, занимался одно время в специальном бейсбольном лагере, и даже добился определенных успехов на этом поприще - его тренеры всерьез подумывали о том, чтобы перевести Чарли в основную лигу. Но Шин решил пойти по стопам отца и предпочел кинематограф бейсболу.

Его первое появление на экране состоялось в 9 лет, в 1974 году Чарли дебютировал на телевидении. Однако серьезные роли ему начали предлагать только лишь 10 лет спустя, он появился на большом экране в 1979 году в фильме Фрэнсиса Форда Копполы "Апокалипсис наших дней".

После первой своей настоящей работы в фильме 1984 года "Гризли-2: Хищник" он в течение трех лет успел сняться в девяти различных фильмах. Первой его популярной ролью оказалась роль скучающего паренька из фильма "Мальчики по соседству", снятом в 1984 году. Телевизионная карьера актера началась с фильма "Молчание сердца".

Прорывом молодого актера признана лента Оливера Стоуна "Взвод" (1986), так же хорошо была оценена еще одна работа этого режиссера с участием Шина - "Уолл Стрит" (1987).

После этих картин последовали предложение на самые разные роли, так в 1988 году Чарли досталась роль профессионального бейсболиста Оскара "Хэппи" Фелша в биографической драме "Восемь выходят из игры"; в 1989 году роль бейсболиста Рикки Вона в спортивной комедии "Высшая лига"; в 1990 году роль рядового Фрэнклина Бина в драме своего отца, Мартина Шина, "Дисбат".

Очередная доза популярности пришла к Чарли после выхода комедии "Горячие головы" (1991) и ее продолжения "Горячие головы 2" (1993).

В том же 1993 году Чарли Шин исполнил роль полицейского под прикрытием в драме "За пределами закона", а также появился в образе Арамиса в "Трех мушкетерах".

В 1994 году Чарли вместе с Кристи Суонсон снялся в триллере "Погоня". В том же году он вновь исполнил роль Рикки Вона в спортивной комедии "Высшая лига 2".

В 1996 году с участием Чарли вышло две картины - фантастический боевик "Прибытие" и триллер "Теневой заговор", однако обе картины провалились в прокате, не сумев собрать даже половины потраченных на их создание денег.

Более успешной, с коммерческой точки зрения, картиной с участием Чарли стала криминальная комедия "Деньги решают все" (1997), где он снялся вместе с Крисом Такером и Хизер Локлир.

После этого карьера Чарли пошла на спад, картины с его участием собирали все меньше денег, и, соответственно, гонорары тоже, от чего ему приходилось принимать все предложения, которые ему приходили. Так Чарли снялся в таких убыточных картинах, как "Репортаж из камеры смертников" (1998), "Операция" (1998), "Пять тузов" (1998), "Знаменитый" (2000), "Поли Шор мертв" (2003) и некоторых других.

Былая слава пришла к Чарли в 2003 году с выходом на телеэкраны сериала "2,5 человека" (2003 – ...), за эту роль, которую он исполнял до 2011 года, Шин четырежды номинировался на премию "Эмми", дважды на "Золотой глобус" и премию Гильдии киноактеров.

В 2012 году Чарли получил главную роль в сериале "Управление гневом" (2012-...), где исполняет роль бывшего бейсболиста, проводящего сеансы терапии по борьбе с гневом.

В том же 2012 году он исполнил главную роль в фильме "Умопомрачительные фантазии Чарли Свона-третьего", а также появился в картине "Она хочет меня".

В 2013 году с его участием вышло еще две провальные картины - "Очень страшное кино 5" и "Мачете убивает".

В 2015 году Чарли появился в одном из эпизодов сериала "Голдберги".