Carmelo Anthony rejoint l'Université de Syracuse en 2002 et devient rapidement une vedette grâce à ses performances exceptionnelles sur le terrain. Il est nommé Most Outstanding Player (MOP) du Final Four NCAA en 2003, puis il remporte le titre de la saison régulière de la Big East Conference et est élu Most Valuable Player (MVP).
En 2003, Carmelo Anthony est sélectionné au premier tour de la draft NBA par les Nuggets de Denver en troisième position. Il devient rapidement un titulaire indiscutable et un des joueurs préférés des fans, notamment grâce à sa polyvalence offensive, son sens du jeu et ses capacités de marqueur. En 2006, il est sélectionné pour le All-Star Game de la NBA pour la première fois.
En février 2011, Carmelo Anthony est transféré aux Knicks de New York contre Wilson Chandler, Raymond Felton, Danilo Gallinari et Timofey Mozgov. Il y signe un contrat de sept ans pour un montant record de plus de 129 millions de dollars. Malheureusement, les résultats ne sont pas au rendez-vous avec la franchise, qui ne parvient pas à atteindre la NBA Finals pendant ces années.
En juillet 2017, Carmelo Anthony rejoint les Thunder d'Oklahoma City mais n'y reste que quelques mois avant d'être échangé aux Hawks d'Atlanta. Il signe ensuite avec les Rockets de Houston mais est coupé peu après l'entraînement de l'équipe.
En juillet 2018, Carmelo Anthony signe un contrat de deux ans pour une somme de 2,4 millions de dollars avec le Trail Blazers de Portland. Il ne joue toutefois que six rencontres avant d'être coupé en raison de ses performances décevantes.
Carmelo Anthony a été sélectionné à sept reprises pour le All-Star Game de la NBA (de 2004 à 2017) et il est le meilleur marqueur de l'histoire des Nuggets de Denver avec plus de 25.000 points inscrits sur le terrain. Il a également remporté quatre fois le titre de Meilleur Marqueur du Mois (en abrégé, Scoring Champion) de la NBA et il est membre du Club des 30 000 points, du Club des 6 000 rebonds et du Club des 1 500 contres.
Enfin, Carmelo Anthony a joué pour l'équipe nationale américaine lors de trois Jeux Olympiques : en 2004 à Athènes, en 2008 à Pékin et en 2016 à Rio de Janeiro. Il a remporté une médaille d'or avec l'équipe olympique américaine aux Jeux olympiques de 2008.