Coltiva fin da bambino la passione per il cinema, i fumetti e la letteratura americana, soprattutto di fantascienza. Frequenta la Scuola di cinema Gaumont di Roma, creata da Renzo Rossellini. Nel 1991 Carlo Carlei dirige il mediometraggio di fantascienza Capitan Cosmo, primo film italiano girato in alta definizione, con fondi della RAI. 

Nel 1993 arriva al successo internazionale col suo primo film, La corsa dell’innocente, e da allora sviluppa vari progetti per gli Studios hollywoodiani. Rientra in Italia nel 1999 per dirigere Padre Pio, film in due puntate per Mediatrade interpretato da Sergio Castellitto. Il film raggiunge grandi ascolti su Canale 5 e conquista il Los Angeles Italian Film Award. Un altro grande successo di Carlo Carlei è il ritratto di Enzo Ferrari, interpretato nuovamente da Sergio Castellitto, in onda nel 2003 su Canale 5. Tra i lavori più recenti e apprezzati dal pubblico e dalla critica, la serie I Bastardi di Pizzofalcone con ascolti record su Rai Uno (2017, Premio Flaiano per la regia televisiva). La serie viene molto apprezzata negli Stati Uniti, dove la Amber Ent. acquista i diritti per il remake in inglese. Sempre nel 2017, l’editore Tunue‘ pubblica il primo graphic novel di Carlei, The passegger, realizzato insieme a Marco Rizzo e Lelio Bonaccorso. Il libro ottiene ottime recensioni e ottime vendite. Nel 2021 la serie action-thriller La fuggitiva con Vittoria Puccini conquista piu’ di cinque milioni di spettatori su RAI Uno. Attualmente Carlo Carlei sta sviluppando alcuni progetti per il cinema e la televisione, in collaborazione con prestigiose societa’ di Hollywood: il film The Passenger basato sull’omonima graphic novel e poi le serie internazionali Kingdom Come, Gloom e Red Mirror.