Après avoir fait le conservatoire, Charles Boyer commence sa carrière par le théâtre, mais c'est en Europe et à Hollywood qu'il connaîtra ses plus grands succès comme jeune premier au cours des années 1920 et 1930. Les plus grandes actrices de son époque furent ses partenaires : Bette Davis (L'étrangère), Greta Garbo (Marie Walewska), Marlène Dietrich (Le Jardin d'Allah), Danielle Darrieux (Mayerling), Irene Dunne (Love Affair / Elle et lui), Olivia de Havilland (Par la porte d'or), Ingrid Bergman (Hantise). Il continuera encore d'avoir des rôles jusqu'à sa mort mais avec un succès moindre.
En 1948, il est fait chevalier de la Légion d'honneur.
Le 26 août 1978, il se suicida (au moyen d'une dose de barbituriques qui lui a été fatale) deux jours après le décès de sa femme, Pat Paterson, des suites d'un cancer, et deux jours avant de fêter son 79e anniversaire. Il est enterré au Holy Cross Cemetary à Los Angeles.