Carell wuchs als jüngster von vier Brüdern in Acton in einer katholischen Familie mit polnischen, deutschen und italienischen Wurzeln auf. Sein Vater war Elektriker, seine Mutter Krankenschwester. Während seiner Schulzeit spielte er aktiv Eishockey und Lacrosse, anschließend studierte er Geschichte an der Denison University.
Mit der Schauspielerei begann Carell als Mitglied eines akademischen Improvisationstheaters. In der Folge hatte er kleinere Auftritte an verschiedenen Theatern in Chicago, während er als Briefträger seinen Lebensunterhalt zu bestreiten versuchte.
Einem breiteren Publikum wurde Carell als Korrespondent der satirischen Nachrichtensendung Daily Show des US-Kabelkanals Comedy Central bekannt. Für die Satiresendung trat er außerdem in den Segmenten Even Stephven und Produce Pete auf. Nach einer längeren Pause kehrte Carell am 23. März 2005 für einen Gastauftritt anlässlich des zweiten Jahrestages des Irakkrieges zur Daily Show zurück. Am 17. August 2005 erklärte er sein dauerhaftes Ausscheiden aus dem Team der Daily Show und zerstreute damit Gerüchte über eine mögliche Rückkehr.
Von 2005 bis 2011 spielte Carell die Hauptrolle des Michael Scott im NBC-Remake der britischen Comedyserie The Office von Ricky Gervais und Stephen Merchant. Hierfür erhielt er 2006 einen Golden Globe als bester Darsteller in einer Comedy- oder Musicalfernsehserie und wurde von 2006 bis 2011 sechsmal in Folge für den Emmy nominiert. Im einstündigen Serienfinale von The Office, das am 16. Mai 2013 ausgestrahlt wurde, übernahm er erneut seine Rolle als Michael Scott.
In dem RoadmovieLittle Miss Sunshine aus dem Jahr 2006 spielte er den schwulen Proust-Forscher Frank, der sich die Pulsadern aufschneiden wollte, nachdem seinem ärgsten Konkurrenten der Genie-Preis der MacArthur-Stiftung zugesprochen worden war. Im selben Jahr synchronisierte Carell erstmals das Eichhörnchen Hammy in dem Animationsfilm Ab durch die Hecke. 2007 kam die Fortsetzung des internationalen Kinohits Bruce Allmächtig mit dem Titel Evan Allmächtig in die Kinos. Jim Carrey als Bruce war in diesem Film nicht mehr dabei und gab die Hauptrolle an Steve Carell als Evan ab.
In der Actionkomödie Get Smart aus dem Jahr 2008 spielte er den Agenten Maxwell Smart, der bei seinem ersten Einsatz als Außenagent Los Angeles vor einer Atombombe retten soll.
Im Jahr 2006 gewann Steve Carell den Golden Globe in der Kategorie „Best Television Actor – Musical/Comedy Series“ für seine Rolle in „The Office“. Er wurde für diesen Preis außerdem weitere elf Mal nominiert.[3] Für seine Rolle des paranoiden Milliardärs John E. du Pont in Bennett Millers Filmdrama Foxcatcher wurde er 2015 für den Golden Globe Award und den Oscar nominiert.