Charles Pic débute par la moto, avant que son parrain, qui n'est d'autre qu'Éric Bernard, lui offre un kart. Il passe en catégorie junior en 2003, puis en 2004 termine troisième du championnat de France. Charles accède en 2006 en Formule Campus, où il clôt la saison au troisième rang avec une victoire.

En 2007, il termine sa saison d'Eurocup Formule Renault à nouveau troisième et s'engage en même temps dans le championnat de France de Formule Renault, où il termine quatrième. Le vainqueur du championnat est par ailleurs Jules Bianchi. En Formule Renault 3.5 en 2008 et 2009 avec Tech 1 Racing, il finit sixième lors de sa première saison, décrochant deux succès à Monaco et au Mans. Il s'améliore en 2009, où il est troisième, et signe à nouveau deux victoires, à Silverstone et au Nürburgring cette fois.

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

Ses débuts dans la discipline reine sont plutôt satisfaisants : il réalise une belle course en Australie avant d'abandonner à cinq tours du but, et rallie l'arrivée à Sepang avec la vingtième place. Il termine à la même place en Chine, mais est contraint à l'abandon trois fois consécutivement: à Bahreïn, à Barcelone et sur le tracé monégasque. Le Français enchaîne 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 termine la plupart du temps derrière son expérimenté équipier, l'Allemand Glock. Mais la seconde moitié de la saison est davantage favorable au pilote français. Sur quatre courses, il termine trois fois devant son équipier, mais abandonne au Japon, et à Abu-Dhabi. Il réussit à finir devant Timo Glock à plusieurs reprises entre temps. Lors du Grand Prix du Brésil, course de clôture de cette saison 2012 pleine de rebondissements, Charles signe un contrat avec Caterham. Cette motivation lui permet de finir la saison d'une excellente manière, avec une douzième place à l'arrivée, son meilleur résultat. Si Petrov, pilote de sa future écurie, ne l'avait pas doublé à quelques tours du drapeau à damier, 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 qualifié souvent devant son équipier, et fit bonne figure au sein des autres équipes. Son objectif pour 2013 est banal, mais ambitieux : inscrire ses premiers points avec une nouvelle écurie. Cependant, aux côtés du Néerlandais Giedo Van der Garde, il ne peut que constater les dégâts : la CT03 est ratée, et pas une seule fois le Drômois ne passe en Q2. Il peine même à battre son équipier, pourtant débutant en Grand Prix. Avec deux quatorzièmes places en meilleurs résultats, Charles n'est que vingtième du championnat, et n'est donc pas conservé pour 2014.

Malgré tout, il est recruté par 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 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 chez China Racing, et termine huitième à Monaco avant de mettre fin à sa carrière de pilote.