Forma part de la selecció canadenca des del 2005, i ha estat medalla d’or en la modalitat d’equip als campionats del món (2005 i 2007), en 5.000 m relleus (2005 i 2006), en 3.000 m (2006) i en 500 m (2009). Als Jocs Olímpics d’Hivern de Torí (2006) obtingué la medalla d’argent en 5.000 m relleus, i en els de Vancouver (2010) tornà a ser primer en aquesta prova de l’equip canadenc de la qual també formava part el seu germà François Hamelin (Sainte-Julie 1986). En aquests mateixos jocs, Charles Hamelin també guanyà la medalla d’or en 500 m. Al gener del 2009 establí el rècord mundial en 1.000 m.