Charlie Cox est considéré comme l'un des jeunes talents les plus prometteurs du cinéma anglais. Il a fait ses débuts dans le film très critiqué de Matthew Parkhill Dot The I aux côtés de Gael Garcia Bernal et participé à la comédie Things To Do Before You're 30. Il a ensuite interprété Lorenzo dans l'adaptation du
Marchand de Venise réalisée par Michael Radford, avec Al Pacino, Jeremy Irons et Joseph Fiennes.
Charlie Cox a joué son premier grand rôle dans le film hollywoodien Casanova de Lasse Hallström, où il incarnait le frère de Sienna Miller. On a aussi pu le voir à la télévision britannique dans Inspector Lewis et A For Andromeda. En 2007, il est à l'affiche du film Stardust, le mystère de l'étoile de Matthew Vaughn où il interprète Tristan Thorn. En 2008, il joue le rôle principal dans le film Stone of Destiny, basé sur une histoire vraie. Il partage la vedette avec Kate Mara, Stephen McCole, et Ciaren Kelly, qui en est à ses débuts dans le monde du cinéma.