Dès 1992, Narain Karthikeyan part en Europe pour faire son apprentissage à l'école Elf Winfield, en France.

Après avoir couru en Formule Opel, il passe à la Formule 3 britannique à partir de 1998. En 1999, il remporte deux victoires et se classe sixième du championnat. L'année suivante, il termine quatrième du championnat, sans toutefois remporter de victoire. Il remporte toutefois une victoire à Spa-Francorchamps dans le championnat français, ainsi que deux victoires en Corée du Sud.

En 2001, il dispute le championnat de Formule 3000 japonais et effectue ses premiers essais en Formule 1 chez Jaguar et Jordan. A partir de 2002, Narain court en World Series by Nissan et monte quatre fois sur le podium, terminant quatrième du championnat. En 2004, il remporte deux victoires, mais ne se classe que sixième au championnat.

En F1 avec Jordan

En 2005, l'équipe Jordan-Toyota, qui entame sa dernière saison avant d'être rachetée par le groupe russe Midland, lui offre donc sa chance en F1. Malheureusement, Narain n'aura pas souvent l'occasion de briller et, malgré une certaine rapidité, son coéquipier Tiago Monteiro se montrera plus étincelant. Sa seule « performance » est une quatrième place décrochée aux Etats-Unis, après le forfait de tous les pilotes équipés de pneus Michelin. A part ce coup d'éclat, l'Indien passe le reste de la saison en queue de peloton, en lutte avec les Minardi.

Il n'est pas conservé pour 2006, mais l'équipe Williams lui offre une nouvelle chance en l'engageant comme pilote d'essais pour 2006. En 2007, avec le départ de Webber, l'Indien est promu troisième pilote, mais les chances de le voir un jour titulaire sont très faibles. Il participe alors au championnat A1 Grand Prix durant plusieurs saisons, puis à quelques courses en European Le Mans Series en 2009. En 2010, il participe à la Superleague Formula.

HRT

En 2011, Narain, toujours soutenu par le géant Tata, effectue son retour en Formule 1 au sein de l'écurie Hispania Racing Team (HRT). En effet, en raison du premier Grand Prix d'Inde de l'histoire, les pilotes indiens sont de nouveau attractifs pour les équipes à la recherche de sponsors. La saison commence toutefois difficilement, avec une monoplace qui ne parvient pas à se qualifier pour le Grand Prix d'Australie, car elle dépasse la limite des 107 % du temps de la pole position. Après un abandon en Malaisie, il enchaîne plusieurs courses où il se classe en fond de peloton. Après le Grand Prix d'Europe, l'écurie le remplace par Daniel Ricciardo pour le reste de la saison. Narain conserve un rôle de pilote d'essais et participe aux séances d'essais libres du vendredi. Il retrouve son volant de titulaire à l'occasion du premier Grand Prix d'Inde, en remplacement de Vitantonio Liuzzi. Pour cette course nationale, il s'élance de la 24e place et termine l'épreuve à la 17e place, devançant son coéquipier Daniel Ricciardo.

Sa saison 2012 commence comme la précédente : aucun des pilotes HRT ne se qualifie pour le Grand Prix d'Australie, car ils sont tous hors des 107 %. Narain est globalement dominé par son coéquipier Pedro de la Rosa en qualifications, avec en moyenne 5 dixièmes de retard sur l'Espagnol. Il faudra attendre le Grand Prix d'Italie pour que Narain le batte. En course, les résultats sont évidemment au niveau de la monoplace. Narain réalise l'un de ses meilleurs résultats à Monaco, avec une quinzième place, profitant de plusieurs abandons, ce qui reste le meilleur résultat de l'équipe cette saison. L'Indien est toutefois dominé en course par Pedro et ne le bat que lorsque celui-ci abandonne. La F112 manque de fiabilité par rapport à la saison précédente. De plus, Narain commet quelques erreurs, comme à Spa et à Singapour, provoquant l'intervention de la voiture de sécurité.

L'après F1

En 2013, il participe au championnat Auto GP. Il commence la saison avec l'écurie Zele Racing, puis rejoint Super Nova International. Il se distingue en remportant cinq victoires et en signant quatre pole positions, ce qui lui permet de terminer quatrième du classement général.

En 2014, le pilote indien s'installe au Japon pour participer à la Super Formula, mais ne termine le championnat qu'à la 13e place. L'année suivante, il monte sur son premier podium dans cette discipline en terminant troisième de la course d'ouverture à Suzuka. Il poursuit sa carrière dans ce championnat jusqu'en 2018.

En 2019, il rejoint le championnat Super GT au volant d'une Honda NSX-GT. Durant la saison régulière, il décroche une deuxième place sur le circuit de Sugo. En novembre 2019, lors de la « Dream Race » qui a réuni les plateaux du Super GT et du DTM sur le Fuji Speedway, il a remporté la seconde course du week-end après avoir mené une grande partie de l'épreuve. Cette victoire constitue sa dernière grande réussite en compétition internationale.