Charlie Barnett y su hermana fueron adoptados: su madre adoptiva es de Utah y es de ascendencia sueca, mientras que su padre adoptivo es un constructor de botes de Minnesota. Barnett descubrió el teatro cuando tenía seis años y actuó en muchas óperas y musicales. Después participó en el programa de verano del teatro musical Carnegie Mellon y se graduó del programa de drama de la escuela Juilliard, clase de 2010. De 2012 a 2015, Barnett interpretó a Peter Mills en la serie de televisión de acción y drama de la NBC, Chicago Fire. Durante este tiempo vivió con sus coprotagonistas Joe Minoso y Yuri Sardarov. En 2018, Barnett fue elegido para el papel principal de Alan Zaveri en la serie de comedia de Netflix Russian Doll. Después fue elegido para el papel recurrente de Gabe Miranda en la segunda temporada del thriller de Netflix You. En julio de 2019, Barnett se unió al elenco de Arrow para su octava y última temporada, retratando a John Diggle, Jr.