É um ator estadunidense mais conhecido por interpretar Charlie Kelly na série televisiva de sucesso do canal FX, It's Always Sunny in Philadelphia e Dale Arbus no filme Horrible Bosses (br: Quero Matar Meu Chefe).

Day nasceu em Nova York. Sua mãe, Mary Peckham é uma professora de piano na The Pennfield School em Portsmouth, Rhode Island. Seu pai, Dr. Thomas Charles Day, é um professor de História da Música e Teoria da Música na Salve Regina University, em Newport, Rhode Island. Charlie Day passou a maior parte de sua infância em Middletown, Rhode Island.

Ele freqüentou a escola de Pennfield e se graduou na Portsmouth Abbey School, ambas em Portsmouth. Ele passou a freqüentar o Merrimack College, em Massachusetts.

Além de interpretar Charlie Kelly na série televisiva de sucesso do canal FX, It's Always Sunny in Philadelphia, ele também é produtor executivo da série e um dos seus roteiristas. Já fez várias aparições em outras séries televisivas, como Third Watch, Law & Order, e Reno 911!. Ele apareceu no filme Horrible Bosses (Quero Matar Meu Chefe) em Julho de 2011, ao lado de Jennifer Aniston, Jason Bateman, Jason Sudeikis, Colin Farrell, e Jamie Foxx. Ele também teve um papel no filme de 2010 Going the Distance (Amor à Distância), ao lado de Justin Long, Jason Sudeikis, e Drew Barrymore. Day é junto com seus parceiros de It's Always Sunny in Philadelphia produtor da nova comédia do canal FX, Unsupervised. Prevista para estrear em 2012. Em 2013 ele vai aparecer em Pacific Rim, de Guillermo Del Toro. Day apresentou o episódio de 5 de Novembro de 2011 do Saturday Night Live (SNL), que contou com Maroon 5 como convidado musical. Ele foi o segundo membro do elenco de It's Always Sunny in Philadelphia a apresentar o SNL (depois de Danny DeVito, embora DeVito tenha apresentado o SNL antes de It's Always Sunny in Philadelphia estrear. DeVito fez uma participação especial durante o monólogo de abertura de Day.

Day é casado com a atriz Mary Elizabeth Ellis desde 4 de Março de 2006. Day e Ellis se conheceram em 2001 e começaram a namorar em 2004, quando atuaram juntos em Reno 911 interpretando irmãos incestuosos. Ellis tem um papel recorrente em It's Always Sunny in Philadelphia como "The Waitress" ("A Garçonete"), uma funcionária da loja de café e objeto de obsessão para o personagem de Day. O casal teve seu primeiro filho, um menino chamado Russell, em 15 de dezembro de 2011. Ele já escreveu algumas das principais músicas de It's Always Sunny in Philadelphia.