Nel 2014, Carlotta Antonelli studia recitazione con la compagnia teatrale Hurum Teatro, l’anno successivo comincia a curare la sua preparazione artistica con Gisella Burinato, che la segue fino al 2019. Già nel 2016, esordisce su Canale 5 con la serie Solo di Michele Alhaique, insieme a Marco Bocci. Nel 2017 entra a far parte del cast della serie Suburra, firmata Netflix. Il suo personaggio è Angelica Sale, la coraggiosa e astuta moglie di Spadino. Ad inizio 2018 partecipa alla serie televisiva Immaturi diretta da Rolando Rovello. Nel 2019, Carlotta è co-protagonista con Phaim Bhuiyan nel film Bangla, per la regia dello stesso Phaim Bhuiyan. Nello stesso anno recita nel film La scomparsa di mia madre di Beniamino Barrese. Nel 2020 è protagonista della serie Tv RaiUno Vivi e lascia vivere del regista Pappi Corsicato, con Elena Sofia Ricci. Nello stesso anno è nel cortometraggio “Onolulo” di Iacopo Zanon e nella terza ed ultima stagione di Suburra. La serie è un vero fenomeno Netflix, e nell’ultima stagione il suo ruolo è cruciale e la sua fantastica interpretazione di Angelica le fa ricevere il Ciak d’oro 2020 per la Rivelazione nelle serie tv; perché “sobria, sempre lontana dal rischio dell’interpretazione di genere, la Antonelli a 25 anni coglie l’occasione di Suburra per dimostrare di aver maturato il talento già dimostrato in Bangla e Vivi e lascia vivere”. Nel 2021 è il volto della campagna del brand Aniye By. Il brand lancia Lotty Love, uno short music film in 3 episodi con Carlotta per presentare la collezione FW2122. Inoltre, Carlotta fu nel nuovo film di F. Zampiglione “Morrison” e protagonista in “Take away” di Renzo Carbonera. Nel 2024 è la protagonista di ‘SuburrAeterna’, lo spin off in cui veste nuovamente i panni di Angelica Anacleti.