Carlos Bernard grandit dans l'Illinois avant de rejoindre le conservatoire de théâtre de San Francisco en Californie d'où il sort diplômé. Il apparaît pour la première fois à l'écran sous la houlette du réalisateur Evan Crooke dans The Killing jar (1996).

Il enchaîne ensuite les seconds rôles dans des séries (FX, Effets Spéciaux, Les Dessous de Palm Beach, Walker Texas Ranger) et des téléfilms (Babylon 5, 1999). Le succès arrive en 2001 avec 24 heures chrono où il interprète l'agent Tony Almeida de la Cellule Anti-Terroriste aux côtés de Kiefer Sutherland.