Carells filmcarrière begon relatief laat, toen hij in 1991 een bijrolletje kreeg inCurly Sue. Daarna volgden jaren van bijrolletjes in verscheidene kleinschalige films en televisieseries. Daarbij verscheen Carell van 1999 tot en met 2004 tevens regelmatig inThe Daily Show, waarin hij in 2005 nog af en toe terugkeerde.
Carell speelde zich met zijn bijrol als de doorJim Carrey gemanipuleerde nieuwslezer Evan inBruce Almighty (2003) dermate in de kijker, dat de filmmakers vanaf dat moment meer in hem begonnen te zien. In 2004 speelde hij de rol van Brick Tamland in de filmAnchorman. Daar leerde hijJudd Apatow kennen, die een van de producenten van de film was. Apatow zag veel potentieel in Carell en vroeg hem of hij nog ideeën had voor een nieuwe film. Carell vertelde hem over een idee waar hij al jaren mee rondliep en daarop schreef hij in de zomer van 2004 samen met Apatow het script voorThe 40 Year Old Virgin. In 2005 speelde Carell in diezelfde film zijn eerste hoofdrol als sympathieke, zelfbewuste maagd. Deze film werd een groot kassucces en vanaf dat moment was er een nieuwe komedielegende geboren. In 2006 liet Carell met de filmLittle Miss Sunshine zien dat hij niet alleen goed is in komedierollen spelen, maar ook in dramarollen. De indie film werd de hemel in geprezen door critici en werd o.a. genomineerd voor drieOscars. Toen er in 2007 een vervolg uitkwam opBruce Almighty -Evan Almighty - speelde Carell opnieuw de rol van Evan, die ditmaal het hoofdpersonage was. Datzelfde jaar kwam ook de filmDan in Real Life uit waarin hij een weduwnaar speelde die verliefd wordt op de vriendin van zijn broer. Het jaar daarop speelde hij naastAnne Hathaway in de actiekomedieGet Smart, en in 2010 kwamen de filmsDate Night,Despicable Me (later gevolgd door nog twee delen) enDinner for Schmucks uit. In 2011 vertolkte hij de rol van Cal Weaver in de romantische komedieCrazy, Stupid, Love. Deze film heeft hij eveneens geproduceerd.
Op 28 april 2011 nam Carell na 7 seizoenen inThe Office US te hebben gespeeld afscheid van zijn rol alsMichael Scott. Dit betekent echter niet dat dit het einde van zijn carrière is. In 2012 komt de filmSeeking a Friend for the End of the World uit waarin hij een man speelt die tijdens de apocalyps verlaten wordt door zijn vrouw en vervolgens samen met zijn buurvrouw (gespeeld doorKeira Knightley) op zoek gaat naar zijn eerste geliefde. Later in het jaar komt de filmHope Springs uit waarin hij naastMeryl Streep enTommy Lee Jones speelt.
In 2014 verscheen de filmFoxcatcher, waarin Carell de rol van moordenaar John du Pont speelt. Hiervoor werd hij genomineerd voor verscheidene prijzen, waaronder de Oscar enBAFTA voor beste mannelijke bijrol.
Carell is sinds 1995 getrouwd met actriceNancy Walls. Ze kregen een dochter in 2001 en een zoon in 2004.
