Après des études à l'École supérieure d'art dramatique, Philippe Charbonnel a commencé sa carrière en tant qu'assistant réalisateur sur plusieurs films et téléfilms, notamment pour Claude Lelouch et Michel Mitrani.
En 1984, il réalise son premier long-métrage, *L'Étoile du Nord*, qui connaît un grand succès commercial et remporte le prix Louis Delluc. Ce film marque les débuts de Richard Anconina sur grand écran.
En 1986, il adapte pour l'écran *Le Dossier secret des Harpe*, roman de Patrick Rambaud. L'année suivante, il réalise *La Neuvième Porte*, un film sur la guerre d'Algérie.
En 1989, il réalise le documentaire *Dans l'ombre de l'étoile* consacré à sa mère, chanteuse et actrice Françoise Dorléac, qui meurt tragiquement en 1967 dans un accident de voiture.
En 1992, Philippe Charbonnel réalise *Le Fils du requin*, qui est adapté de la bande dessinée éponyme de Jean-Michel Charlier et Albert Uderzo. Ce film est le premier d'une trilogie sur l'aventurier français Jean Yanne, aux côtés de Gérard Depardieu et Michel Serrault.
En 1995, il réalise *La Famille Sainte-Marie*, qui reçoit un accueil mitigé de la critique. L'année suivante, il sort *Le Dernier Souffle*, troisième et dernier volet de sa trilogie sur Jean Yanne.
En 2003, Philippe Charbonnel réalise le film *Les Choristes*, qui remporte un grand succès critique et commercial grâce à une distribution prestigieuse (Gérard Jugnot, François Cluzet, Jean-Paul Roussillon, etc.) et à son histoire d'enfants pris en charge par un directeur de pension qui les initie au monde du chant.
En 2017, il réalise *Ma famille*, film autobiographique sur sa propre enfance dans la banlieue parisienne des années 60.
Philippe Charbonnel est également actif à la télévision et a réalisé plusieurs téléfilms, dont *La Loi de Jean-François Revel* en 1992, *L'Affaire Stavisky*, en 1997, *Le Gang des espions* en 2003 et *Une famille formidable* en 2008.