Fils d'un médecin et d'une enseignante, Charles Berling se produit au sein de la troupe de son lycée de Toulon avant de suivre une formation de comédien à l'Insas de Bruxelles. S'il se consacre essentiellement au théâtre dans les années 80 - en particulier dans le cadre du TNS dirigé par Jean-Louis Martinelli -, il fait sa première apparition à l'écran en 1982 dans Meurtres à domicile. Par la suite, on le remarque en fils rongé par le ressentiment dans Petits arrangements avec les morts, premier opus de Pascale Ferran en 1994, et en époux d'Emmanuelle Béart dans Nelly et Monsieur Arnaud, film-testament de Claude Sautet en 1995.

Charles Berling accède à la notoriété en 1996 grâce à son rôle de marquis candide dans Ridicule de Patrice Leconte, avec à la clé une nomination au César du Meilleur acteur. Héros d'un remake de Jules et Jim pour le petit écran, il est au cœur de deux autres trios amoureux, dans Love etc. et dans le corrosif Nettoyage à sec d'Anne Fontaine, dans lequel il campe un mari frustré, en 1997. Prof de philo pris de frénésie sexuelle dans L'Ennui de Cédric Kahn en 1998, le fiévreux Berling incarne la même année l'un des passagers de Ceux qui m'aiment prendront le train, œuvre polyphonique de Chéreau, et passe derrière la caméra pour réaliser le court métrage La Cloche.

Après avoir prêté ses traits à Pierre Curie (Les Palmes de M. Schutz), Charles Berling, de plus en plus sollicité, trouve l'un de ses plus beaux rôles, celui d'un pasteur charentais, dans un autre film d'époque avec Isabelle Huppert : Les Destinées sentimentales (2000) d'Olivier Assayas, qu'il retrouvera sur Demonlover puis sur L’Heure d'été. Si cet amoureux du verbe s'illustre parfois dans la comédie (Cravate club qu'il joua au théâtre, Père et fils de Boujenah en 2003), il affiche une prédilection pour les personnages ambigus et les univers troubles, comme en témoignent ses prestations dans La Comédie de l'innocence de Raoul Ruiz, le thriller Scènes de crimes, le drame Comment j'ai tué mon père dans un face-à-face glaçant avec Michel Bouquet en 2001, ou encore L'Homme de sa vie, histoire d'un amour homosexuel. Citoyen engagé, Berling apparaît en 2005 dans une fiction sur Ben Barka et apporte son concours à des documentaires sur le réchauffement climatique (la VF d'Une Vérité qui Dérange) et sur le sort des clandestins (En terre étrangère, 2009).

L'acteur renouvelle l'expérience de la réalisation en collaborant avec Virginie Coupérie-Eiffel, qui écrit avec lui un film consacré à Gustave Eiffel, le créateur du plus illustre des monuments français, en 2009. Il revient par la suite à son métier d'acteur en incarnant en 2010 le mari manipulé de Laura Smet dans le thriller de Gabriel Le Bomin : Insoupçonnable, puis en 2011, celui de Valérie Benguigui dans Le Prénom, la comédie française d'Alexandre de La Patellière et de Matthieu Delaporte. Il tourne également sous la férule de Danielle Arbid dans le film contesté au Liban Beyrouth Hotel, en incarnant le rôle de l'avocat français, avant de donner la réplique à son propre fils Emile Berling dans Comme un homme, une adaptation de L'Age bête, le roman de Boileau-Narcejac, par Safy Nebbou. Charles Berling campe la même année le père cool de Pierre Niney dans 20 ans d'écart, la comédie romantique de David Moreau.