Studoval na divadelní škole Bristol Old Vic Theatre School. Charlie Cox, celým jménem Charlie Thomas Cox, před kamerou debutoval v roce 2003 v televizním filmu Soudce John Deed .
Uznání kritiky si Charlie Cox získal za roli Tristana Thorna ve fantasy filmu Hvězdný prach z roku 2007. Za ztvárnění postavy Matta Murdocka alias Daredevila z komiksů Marvel ve stejnojmenném seriálu společnosti Netflix, byl třikrát nominován na The Saturn Awards.
Daredevila si Charlie Cox zopakoval také v minisérii The Defenders. Hlavní roli dostal též v seriálech Impérium - Mafie v Atlantic City, Kin, Treason (Vlastizrada) a Daredevil: Born Again.
Na filmovém plátně se Charlie Cox objevil mj. v dramatech Kupec benátský či Casanova. Ústřední postavu ztvárnil např. v životopisném snímku There Be Dragons, v tragikomedii Jak je, Cartere? či v hororovém akčňáku Eat Locals.
Úspěchy Charlie Cox slaví i na divadelních prknech. Účinkoval např. v inscenacích Inkognito a Zrada v londýnském West Endu.
V roce 2018 se Charlie Cox oženil s producentkou Samanthou Thomas.