Первый баскетболист в истории, завоевавший три золотые медали Олимпийских игр. Бронзовый призер чемпионата мира, бронзовый призер Олимпийских игр 2004 года в составе сборной США. Победитель чемпионата Америки 2007 года. В 2016 году стал лучшим скорером в истории сборной США, обогнав Майкла Джордана и Леброна Джеймса по количеству набранных очков на Олимпийских играх. Кармело – десятикратный участник Матча всех звезд НБА, обладатель титула «Самый выдающийся игрок НСАА», звания «Спортсмен года по версии федерации баскетбола США» в 2006 и 2016 годах, дважды попадал в символическую сборную НБА. Рекордсмен сборной США по количеству сыгранных матчей, набранных очков и сделанных подборов.
Кармело с раннего детства оттачивал свое мастерство игры в баскетбол на уличных площадках. Когда ему исполнилось восемь лет, он вместе с семьей переехал в Балтимор и стал учеником католической школы Тоусона, где была возможность совершенствоваться в спорте. В средних классах Кармело помог команде занять третье место в государственном турнире. В 2001 году Кармело присвоили звание «Лучшего игрока» Балтиморской баскетбольной лиги. После окончания школы поступил в Сиракузский университет, где начал играть за баскетбольную команду. Кармело выступал в течение сезона 2002/2003, сумел отличиться как самый результативный игрок, получил награду «Самый выдающийся игрок баскетбольного турнира первого дивизиона NCAA», но решил отказаться от университетской карьеры.
В 2003 году был задрафтован командой «Денвер Наггетс» в первом раунде под третьим номером вслед за Леброном Джеймсом и Марко Миличичем. В своем дебютном сезоне в НБА Энтони помог своей команде «Денвер Наггетс» впервые с 1990 года выйти в плей-офф НБА и стал третьим самым молодым игроком, достигшим 1000 очков в истории НБА.
В 2006 году «Денвер Наггетс» закончили сезон на третьем месте, впервые в карьере Кармело выиграв Северо-Западный дивизион. После сезона клуб подписал пятилетний контракт с Энтони. За время выступлений за «Денвер» Кармело неоднократно получал награды «Игрок недели» НБА, «Игрок месяца», трижды участвовал в Матче всех звезд.
В 2011 году произошел обмен Кармело в «Нью-Йорк Никс». В следующем сезоне форвард смог привести «Никс» к своей первой победе в плей-офф с 2001 года, а Энтони был отобран в Сборную всех звезд НБА – символическую сборную, составленную из лучших игроков НБА. В 2013 году Кармело установил командный рекорд «Никс», набирая 30 игр подряд по 20 очков. Всего за сезон команда выиграла 51 игру и завоевала свой первый титул в Атлантическом дивизионе с 1994 года. Энтони набрал 35 очков в пяти играх подряд, чем равнялось рекорду Коби Брайнта 2007 года. Стал первым игроком «Никс» с самой продаваемой майкой НБА по результатам продаж в NBA Store.
В феврале 2014 года Энтони в седьмой раз сыграл в Матче всех звезд, набрав 30 очков и установив рекорд из восьми трехочковых бросков, побив достижения Марка Прайса и Леброна Джеймса. В 2017 году Кармело был продан в «Оклахома-Сити Тандер», спустя год произошел его обмен в «Хьюстон Рокетс». В 2019 году Кармело подписал негарантированный контракт с «Портленд Трэйл Блейзерс». В ноябре 2020 года клуб продлил сотрудничество с Кармело в качестве запасного в команде.
Летом 2021 года было объявлено о переходе игрока в «Лос-Анджелес Лейкерс». По состоянию на 2022 год Энтони на девятом месте в списке снайперов за всю историю НБА.
В сборной США Кармело дебютировал в 2004 году. После успешного стартового сезона в НБА был включен в состав национальной команды для участия в Олимпийских играх в Афинах. Кармело завоевал свою первую медаль Игр – бронзу в составе сборной США.
В 2006 году стал вице-капитаном команды США на чемпионате мира по баскетболу. Сборная взяла бронзу, Кармело установил личный рекорд по количеству набранных очков и был включен в символическую сборную ФИБА. В этом же году был признан баскетболистом года в Америке.
Кармело участвовал в Олимпийских играх-2008, 2012 и 2016. В составе национальной сборной США трижды становился олимпийским чемпионом. Энтони – первый игрок в истории баскетбола США, выигравший три золотые медали Игр, лидер по количеству набранных очков и проведенных игр, самый титулованный баскетболист США – участник Олимпийских игр. После победы на играх в Рио был признан «Спортсменом года» в США.
В 2004 году Кармело обручился с Элани Николь «Ла Ла» Васкес. Его жена – американская актриса, писательница, телеведущая, кинопродюсер и предприниматель. В 2007 году у пары родился сын.
В 2003 году Кармело подписал свой первый контракт с обувным брендом Jordan. Спустя год была выпущена первая линейка фирменной обуви – кроссовки Jordan Carmelo 1.5. Всего в линейке Melo выпущено тринадцать коллекций кроссовок.