Der in New York City geborene Charlie Day wuchs in Rhode Island auf und machte seinen Schulabschluss an der "Portsmouth Abbey School" in Portsmouth. Anschließend ging er auf das "Merrimack College" im US-Bundesstaat Massachusetts. Hier spielte er im Basketball-Team. Wenn es nach seinen Eltern gegangen wäre, dann wäre Charlie Day heute sicherlich Musiker: Seine Mutter war Klavierlehrerin und sein Vater Professor für Musikgeschichte und -theorie an der "Salve Regina University".
Doch Charlie Day entschied sich für die Schauspielerei: Im Jahr 2000 kam sein erster Film "Mary and Rhonda" ins amerikanische Fernsehen. Daraufhin wurde der Schauspieler für TV-Serien wie "Law und Order" (2001) und "Reno 911!" (2004) engagiert. In der Serie "Third Watch - Einsatz am Limit" war Charlie Day von 2001 bis 2004 zu sehen.
Dann konnte sich Charlie Day auch über Rollen in Kinofilmen freuen: Neben Justin Long und Drew Barrymore war er in "Verrückt nach dir" (2010) zu sehen, im Folgejahr spielte er in "Kill The Boss" neben Jennifer Aniston die Hauptrolle. Bekannt wurde Charlie Day vor allem durch die von Danny DeVito geschriebene und produzierte Serie "It' Always Sunny in Philadelphia", die 2005 zum ersten Mal ausgestrahlt wurde. Charlie Day hat auch einige Lieder für den Soundtrack der Serie geschrieben.
2006 heiratete Charlie Day die Schauspielerin Mary Elizabeth Ellis, die er 2001 bei den Dreharbeiten zu "Reno 911!" kennengelernt hatte. Hier hatten die beiden Geschwister gespielt, die sich ineinander verliebten. Auch in "It' Always Sunny in Philadelphia" spielt Mary Elizabeth Ellis als "die Kellnerin" mit. Der gemeinsame Sohn Russell Wallace wurde am 15. Dezember 2011 geboren.