До начала своей профессиональной карьеры Хартнелл выступал за «Ллойдминстер Блэйзерс» в юниорской лиге (AJHL) и «Принс-Альберт Рейдерз» в WHL. В сезоне 1999/00 он стал лучшим бомбардиром «Рейдерз» с 82 очками и получил приз лучшего игрока команды, а также вызван на матч самых перспективных игроков Канадской хоккейной лиги (CHL).
На драфте НХЛ 2000 года Хартнелл был выбран в первом раунде под общим 6-м номером клубом «Нэшвилл Предаторз». За этот клуб он выступал в течение шести сезонов, в 453 матчах забил 93 шайбы и сделал 118 передач. Во время локаута в сезоне 2004/05 играл за норвежскую «Волеренгу», которой помог выиграть чемпионат страны, забив в 11 матчах плей-офф 12 шайб.
В июне 2007 года перешёл в клуб «Филадельфия Флайерз» (в обмен на выбор в первом раунде драфта), подписав с клубом 6-летний контракт на сумму $25,2 млн.
Выступал за взрослую и юниорскую (до 18 лет) сборную Канады. Участник чемпионата мира 2006 года.
Участник матча молодых звёзд НХЛ (2002).
Участник матча всех звёзд НХЛ (2012).