Charles Pic commence par la moto, puis son parrain, Éric Bernard, lui offre un kart. Il passe en catégorie junior en 2003, puis termine troisième du championnat de France en 2004. En 2006, il accède à la Formule Campus, où il termine la saison à la troisième place avec une victoire.

La monoplace

En 2007, il termine à nouveau troisième de l'Eurocup Formule Renault et s'engage dans le championnat de France de Formule Renault, qu'il termine à la quatrième place. Le vainqueur du championnat est Jules Bianchi. En Formule Renault 3.5, il termine sixième en 2008 et 2009 avec l'écurie Tech 1 Racing, décrochant deux succès à Monaco et au Mans. En 2009, il se classe troisième et signe à nouveau deux victoires, à Silverstone et au Nürburgring.

En GP2 en 2010 avec l'équipe Arden, il s'impose dès sa première course ! Une pole position et un podium à Hockenheim lui permettent de terminer à la dixième place du classement général. En 2011, il remporte à nouveau une course à Barcelone et s'impose à nouveau à Monaco, terminant cette fois à la quatrième place, derrière Romain Grosjean et Jules Bianchi. Toujours en 2011, il est contacté par Marussia (ex-Virgin) et confirmé en tant que titulaire à la fin du mois de novembre. Il rejoint ainsi Romain Grosjean et Jean-Éric Vergne, portant à trois le nombre de Français en Formule 1 en 2012.

En F1 avec Marussia

Ses débuts dans la discipline reine sont plutôt satisfaisants : il réalise une belle course en Australie, avant d'abandonner à cinq tours de l'arrivée, puis termine vingtième à Sepang. Il termine à nouveau à la même place en Chine, mais est contraint d'abandonner trois fois consécutivement : à Bahreïn, à Barcelone et sur le tracé monégasque. Il enchaîne ensuite d'autres bons résultats, dont une quinzième place au Grand Prix d'Europe, son meilleur résultat depuis le début de la saison. La première moitié de la saison est donc honorable pour Charles, qui se classe le plus souvent derrière son expérimenté coéquipier, l'Allemand Timo Glock. Mais la seconde moitié de la saison est davantage favorable au pilote français. Sur quatre courses, il termine trois fois devant son coéquipier, mais abandonne au Japon et à Abou Dhabi. Il réussit également à devancer Glock à plusieurs reprises. Lors du Grand Prix du Brésil, dernière course de cette saison 2012 riche en rebondissements, Charles signe un contrat avec Caterham. Cette motivation lui permet de terminer la saison en beauté avec une douzième place, son meilleur résultat. Si Petrov, le pilote de sa future écurie, ne l'avait pas doublé à quelques tours de l'arrivée, le jeune Français aurait offert la dixième place du championnat constructeur à Marussia. Au final, cette première expérience est très satisfaisante. Certes, il n'a marqué aucun point, mais il s'est souvent qualifié devant son coéquipier et a fait bonne figure au sein des autres équipes.

Caterham

Son objectif pour 2013 est banal, mais ambitieux : marquer ses premiers points avec une nouvelle écurie. Cependant, aux côtés du Néerlandais Giedo van der Garde, il ne peut que constater l'échec : la CT03 est une catastrophe, et le Drômois ne parvient pas une seule fois à se qualifier pour la deuxième phase des qualifications. Il peine même à battre son coéquipier, qui est pourtant un débutant en Grand Prix. Avec deux quatorzièmes places comme meilleurs résultats, Charles n'est que vingtième du championnat et n'est donc pas conservé pour 2014.

Après la F1

Il est toutefois recruté par l'écurie Lotus F1 Team en tant que troisième pilote et participe, à l'occasion du Grand Prix d'Italie, aux premiers essais libres. Mais on voit surtout Charles du côté du nouveau championnat de la FIA, la Formule E. Il participe à la manche inaugurale à Pékin avec Andretti Autosport et se classe quatrième. Il participe à quelques autres courses avec China Racing et termine huitième à Monaco, puis met fin à sa carrière de pilote. Il s'éloigne alors définitivement des circuits pour se consacrer à l'entreprise familiale, spécialisée dans la logistique et le transport.

En 2022, il revient sur le devant de la scène du sport automobile, mais cette fois du côté des décideurs : il rachète l'équipe DAMS, une structure historique et reconnue des formules de promotion, notamment engagée en Formule 2.