Anthony Charteau begann seine Profikarriere 2001 bei dem französischen Radsport-Team Bonjour. 2003 gewann er das Eintagesrennen Classique Loire-Atlantique. Der Sponsor der Mannschaft war mittlerweile Brioches La Boulangère. 2004 nahm er zum ersten Mal an der Tour de France teil und beendet sie auf dem 103. Gesamtrang.
Von 2006 bis 2007 fuhr Charteau bei dem französischen ProTeamCrédit Agricole. Auch 2006 nahm er wieder an der Tour de France teil. Kurz danach gewann er die Polynormande. 2007 entschied er nach einer langen Flucht eine Bergetappe der Tour de Langkawi für sich und übernahm dabei auch das Gelbe Trikot des Gesamtführenden. Bei der Tour de France 2010, mittlerweile zurückgekehrt zu seinem früheren Team Bbox Bouygues Télécom holte er sich auf der neunten Etappe das Gepunktete Trikot der Tour de France von Jerome Pineau. Er verlor es auf der zehnten Etappe wieder, konnte es aber auf der zwölften Etappe erneut erobern und bis zum Ende der Tour verteidigen.
Ende der Saison 2013 beendete er seine Karriere als Berufsradfahrer.
