Pablo Carreño Busta begann im Alter von 6 Jahren mit dem Tennisspielen. Bis zu seinen Teenagerjahren spielte fast ausschließlich auf Hartplatz. Im Februar 2009 erreichte mit Platz 6 der Jugendweltrangliste seine höchste Platzierung.
Sein erstes Spiel auf der Profi-Tour war im April 2011 bei den Barcelona Open Banc Sabadell, als er in der ersten Runde an Benoît Paire scheiterte. Einen Monat später gewann er sein erstes Challenger-Turnier im italienischen Alessandria. Im selben Jahr folgte sein zweiter Challenger-Sieg in Como, wo er im Finale den Deutschen Andreas Beck besiegte. Aufgrund anhaltender Rückenprobleme und einer daraus folgenden Operation wegen eines Bandscheibenvorfalls musste er 2012 für 7 Monate pausieren, er bestritt in der Saison 2012 kaum Spiele und nahm deshalb an lediglich zwölf Turnieren teil. In der Saison 2013 spielte er vermehrt auch auf der ATP World Tour, wo er unter anderem in Casablanca seinen Landsmann Pablo Andújar und in BarcelonaRobin Haase jeweils in der ersten Runde besiegen konnte. Beim Turnier im portugiesischen Oeiras schaffte er erneut die Qualifikation für das Hauptfeld und stieß bis ins Halbfinale vor, scheiterte dort jedoch letztlich dem späteren Turniersieger Stanislas Wawrinka in drei Sätzen. Dennoch war 2013 die bis dato Carreño Bustas erfolgreichste Saison. Von insgesamt 110 Partien gewann er 92, mehr als jeder andere Spieler in dieser Spielzeit. Er wurde damit erst der fünfte Spieler, der in einer Saison mehr als 100 Spiele absolvierte.[1] Auf der Challenger Tour gewann er 2013 insgesamt vier Turniere und rückte durch seine Erfolge von zu Saisonbeginn Platz 715 bis auf Platz 64 in der Weltrangliste vor. Von der ATP wurde er daher als Most Improved Player ausgezeichnet.
Beim Turnier in Winston-Salem gewann Carreño Busta seinen ersten Titel auf der World Tour. Im Finale besiegte er Roberto Bautista Agut mit 6:7, 7:6 und 6:4. Zwei Monate später sicherte er sich beim Kremlin Cup in Moskau seinen zweiten Turniersieg. Im Endspiel besiegte er Fabio Fognini mit 4:6, 6:3 und 6:2. Bei den US Open erreichte er im Doppel mit Guillermo García López das Finale, sie unterlagen Jamie Murray und Bruno Soares mit 3:6 und 2:6.
Bei den Australian Open 2017 erreichte Carreño Busta die dritte Runde. In Rio de Janeiro erreichte er das Finale, das er gegen Dominic Thiem mit 5:7 und 4:6 verlor. Im Doppel gewann er das Turnier mit seinem Partner Pablo Cuevas. Sie besiegten im Finale Juan Sebastián Cabal und Robert Farah mit 6:4, 5:7 und [10:8]. Den dritten Turniersieg in seiner Laufbahn konnte Carreño Busta bei den Millennium Estoril Open nach einem Finalsieg über Gilles Müller verzeichnen. Bei den French Open erreichte er nach einem Fünfsatzsieg über Milos Raonic erstmals das Viertelfinale, in welchem er gegen Rafael Nadal im zweiten Satz aufgrund einer Bauchmuskelverletzung aufgeben musste. Trotz seiner verletzungsbedingten Nichtteilnahme am Turnier in Wimbledon markierte er im Anschluss mit Rang 16 sowohl in der Einzel- als auch in der Doppelweltrangliste neue Karrierehochs. In weiteren Jahr konnte er sich im Einzel weiter verbessern. Nach den US Open, bei denen er im Halbfinale dem Südafrikaner Kevin Anderson unterlag, erreichte er Platz 10 der Einzelweltrangliste.
Im Frühjahr 2018 konnte er in Miami, Barcelona und Estoril im Einzel drei Halbfinale in Folge erreichen. Beim Rom Masters erreichte an der Seite des Portugiesen João Sousa das Finale, in dem sie den Kolumbianern Juan Sebastián Cabal und Robert Farah unterlagen. In Winston-Salem erreichte er im August ein weiteres Halbfinale.
Nachdem Pablo Carreño Busta sein erstes Match in Córdoba aufgeben hatte[2], musste er im Frühjahr 2019 für 10 Wochen mit Schulterproblemen pausieren. Im Sommer erreichte er die Halbfinals in Antalya und Hamburg. Im September konnte er mit einem Sieg über den Kasachen Alexander Bublik im chinesischen Chengdu seinen vierten Titel auf der ATP Tour feiern. Drei Wochen später spielte er sich bis ins Halbfinale der Intrum Stockholm Open 2019, das er gegen Filip Krajinović verlor.
Im Februar 2020 verlor er seine Halbfinalpartie in Rotterdam gegen Félix Auger-Aliassime. Kurze Zeit später folgte eine Turnierpause der ATP Tour aufgrund der COVID-19-Pandemie. Bei seiner ersten Turnierteilnahme nach dieser Pause konnte er in Cincinnati an der Seite von Alex de Minaur die Doppelkonkurrenz gewinnen; im Finale besiegten sie die britische Paarung Jamie Murray und Neal Skupski. Bei den US Open 2020 erreichte er das zweite Mal in seiner Karriere das Halbfinale, in dem er sich nach einem Fünf-Satz-Match Alexander Zverev geschlagen geben musste. Bei den nachgeholten French Open verlor er seine Viertelfinalpartie gegen den Weltranglistenersten Novak Đoković in vier Sätzen.