В начале карьеры он появился в фильмах «Взвод», «Дух мщения» и «Уолл-стрит». На телевидении он известен по ролям в сериалах «Спин-Сити» и «Два с половиной человека», в котором он снимался с 2003 по 2011 год. В 2010 году Шин стал самым высокооплачиваемым телевизионным актером с доходом $ 1,8 млн за эпизод сериала. Он также известен по своим многочисленным скандалам в личной и общественной жизни, в том числе из-за проблем злоупотребления наркотиками. 7 марта 2011 года Шин был уволен компанией CBS и Warner Bros. Television из сериала.
Первой телеработой Чарли Шина была «Казнь рядового Словика» (англ. , 1974), в которой главную роль играл его отец. Кинодебют состоялся в 1984 году в фильме «Красный Рассвет» с Патриком Суэйзи, Леа Томпсон, С. Томас Хауэллом и Дженнифер Грей. Шин и Грей сыграют вместе ещё раз в «Феррис Бьюллер берёт выходной» (1986) в маленькой сцене, где Шин играет торговца наркотиками. Первую серьёзную роль Шин получил в фильме «Взвод» (1986), о войне во Вьетнаме. В 1987 году он снялся со своим отцом в «Уолл-стрит». Режиссёром обеих картин был Оливер Стоун. В 1988 году, Шин должен был сыграть главную роль в «Рождённый четвёртого июля» (1989), однако роль досталась Тому Крузу, о чём актёр узнал от своего брата Эмилио. Шин больше не играл ведущие роли в фильмах Стоуна,, хотя у него была роль в «Уолл-стрит: Деньги не спят», сиквеле «Уолл-стрит».
В 1988-м он снялся в драме о бейсболе «Восьмёрка выбывает из игры». В том же году вместе со своим братом Эмилио Эстевесом участвовал в съёмках «Молодых стрелков», а в 1990 году — фильма «Мужчины за работой». За вестерн «Молодые стрелки» в 1989 году Шин вместе с братом и другими партнёрами по картине удостоились награды «Бронзовый ковбой» (англ. ).
Шин сыграл несколько комедийных ролей, в таких фильмах как «Высшая лига 2», «Деньги решают все», и пародии «Горячие головы!». В 1999 году, Шин сыграл самого себя в «Быть Джоном Малковичем». Он также появился в серии пародий « Очень страшное кино 3» и «Очень страшное кино 4». В 2000 году, Шин заменил Майкла Джея Фокса в двух последних сезонах ситкома «Spin City». За свою игру в «Spin City», Шин был номинирован на две премии ALMA и выиграл свой первый «Золотой Глобус» в номинации «Лучшая мужская роль — комедия или мюзикл». Сериал закончился в 2002 году.
В 2003 году Шин получил роль Чарли Харпера в ситкоме на CBS «Два с половиной человека». Благодаря этой роли он получил премию ALMA, три номинации на премию «Эмми» и две номинации на «Золотой Глобус». Шин появляется в неизданной Lionsgate анимационной комедии «Продуктовые войны». В 2006 году Шин также запустил детскую линию одежды «Sheen Kidz».
В 2011 году Чарли Шин попал в Книгу рекордов Гиннесса с рекордом «Мировой рекорд по скорости набора подписчиков в Твиттере» (добавление в среднем 129000 новых подписчиков), а также рекорд «Самый высокий доход телевизионного актёра за эпизод» в размере 1.25 миллиона долларов за съёмки в ситкоме «Два с половиной человека». 3 марта 2011 года Чарли Шин подписал контракт с маркетинговым агентством Ad.ly специализирующейся на Твиттере и Facebook.
10 марта 2011 года Шин объявил тур по стране под названием, «Моя жестокая торпеда правды/Поражение — не вариант» (англ. My Violent Torpedo of Truth/Defeat is Not An Option), который начался в Детройте 2 апреля.
С 2002 по 2006 год был женат на актрисе Дениз Ричардс. У них две дочери: Сэм (род. 9 марта 2004 г.) и Лола Роуз (род. 1 июня 2005 года).
С 2008 по 2011 год был женат на актрисе Брук Мюллер, у них есть сыновья-близнецы: Боб и Макс (род. 14.03.09).
С марта 2011 живет вместе с порноактрисой Бри Олсон, которая ушла из порноиндустрии ради Чарли.