Chris Carmack grandit dans la banlieue de Rockville, dans le Maryland. Au lycée, son attention se porte vers le théâtre. Passionné, il se donne à fond et travaille sur trois productions par an, sans compter ses participations à de nombreux festivals. Il s'inscrit ensuite à l'Université de New York pour décrocher un diplôme d'Arts. Durant ses études dans la Big Apple, il est repéré par un découvreur de talents qui lui propose de devenir mannequin. Le jeune homme pose alors pour de nombreuses campagnes. Après deux années passées à New York, Chris Carmack décide de partir à Los Angeles sous les encouragements d'un professeur pour s'essayer au métier d'acteur. Là-bas, il prend quelques cours de comédie et il tourne une cinquantaine de spots publicitaires. En 2003, il décroche le rôle de Luke Ward dans Newport Beach et donne ainsi la réplique à Ben McKenzie, Mischa Barton et Adam Brody. Il quittera cependant la série après la première saison.

Après une apparition dans Smallville, Chris devient Jason Masters, une star du rock, dans L’amour à la dérive, une comédie romantique avec Amanda Bynes, avant d'interpréter le cousin de Susan (Teri Hatcher) le temps d’un épisode de Desperate Housewives. Il enchaîne ensuite les petits rôles dans différentes séries, et s’illustre dans L’Effet Papillon 3, troisième film de la franchise, sorti directement en DVD dans l'hexagone mais aussi Shark 3D et Bleu d'enfer 2. En 2013, l’acteur est choisi pour incarner Will Lexington, un chanteur de country gay, dans Nashville, l’occasion pour lui de jouer face à Connie Britton et Sam Palladio. Alors que son personnage n’était initialement pas destiné à rester dans la série, il est promu régulier dès la saison 2 et y restera jusqu'à son annulation. En parallèle, Chris se lance aussi dans la chanson et sort en 2015 un album intitulé "Pieces Of You", pour lequel il compose et écrit les 5 titres qui le constituent.

Dès l’arrêt de la série, le jeune homme enfile la blouse bleu du Grey-Sloan Memorial Hospital, pour la saison 15 de Grey’s Anatomy. Il y incarne le nouveau “dieu de l’ortho”, Lincoln “Link” Atticus, un médecin séduisant aux nombreux atouts qui va tenter de faire chavirer le coeur de pierre de Meredith Grey (Ellen Pompeo).