Hamelin begann im Alter von zehn Jahren mit dem Eislaufen. Er lebt in Sainte-Julie und startet für den Club Montréal – International. Seit 2004 gehört er Kanadas Shorttrack-Nationalteam an und wird von Olympiasieger Derrick Campbell trainiert. Bei den Weltmeisterschaften der Junioren 2003 gewann Hamelin eine Silbermedaille über die Einzelstrecken von 500 und 1500 Metern. Im Weltcup debütierte er im darauf folgenden Jahr und konnte beim Weltcup in Bormio, Italien seine erste Topplatzierung (Rang 3) feiern. Mit der kanadischen Staffel wurde er 2005 Weltmeister und gewann die Silbermedaille über 500 Meter. Im selben Jahr wurde er Kanadas Eisschnellläufer des Jahres. Bei den Weltmeisterschaften 2006 wiederholte er mit der Staffel den Golderfolg und gewann zusätzlich Gold über 3000 Meter sowie eine Bronzemedaille über 1000 Meter. Charles Hamelin hält über die 500-Meter-Distanz die kanadische Bestmarke sowie den Weltrekord in der Staffelkonkurrenz.
An Olympischen Spielen nahm er erstmals in Turin 2006 teil. Mit der Staffel gewann er seine erste Olympiamedaille. Die kanadische Staffel lief hinter den Koreanern auf den Silberrang. Bei den Olympischen Winterspielen 2010 in Vancouver gewann er zwei Goldmedaillen, eine über 500 Meter und eine mit der Staffel über 5000 Meter. Er gewann bei den Olympischen Winterspielen 2014 in Sotschi über 1500 m die Goldmedaille. Bei den Weltmeisterschaften 2014 wurde er in Montreal über 1500 m Weltmeister und erreichte über 500 m und im Mehrkampf Bronze. 2018 gewann er mit der Staffel bei den Olympischen Winterspielen über 5000 m die Bronzemedaille. 2021 wurde er Weltmeister über 1500 m und beendete im April 2022 seine Karriere nachdem er bei den Olympischen Winterspielen 2022 Gold mit der Staffel gewann.
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