Il padre Antonio è impresario al Teatro Mercadante. Impara a suonare il pianoforte a 7 anni. Inizia molto presto a studiare musica e ad esercitarsi al pianoforte, prendendo lezioni da Vincenzo Romaniello, Celeste Capuana e Alberto Curci. Nel 1937 si diploma al conservatorio San Pietro in Majella e viene scritturato come pianista e direttore d'orchestra da una compagnia d'arte varia. Si imbarca per l'Africa orientale. Vi rimane per nove anni riscuotendo enorme successo personale, suonando in varie formazioni e dirigendo orchestre.

Nel 1946 torna a Napoli con la moglie Lita, ma per poco. Decide di trasferirsi a Roma, dove ottiene una buona notorietà nell'ambiente musicale della capitale. Nel 1949 fonda il Trio Carosone insieme a Peter Van Wood e Gegè di Giacomo. La prima apparizione avviene all'Hotel Miramare di Napoli. Inaugurano il 28 ottobre 1949 lo Shaker Club sul lungomare di via Caracciolo a Napoli, di proprietà dell'impresario Pacenza. Il repertorio è prevalentemente americano. Dopo l'uscita dal gruppo del chitarrista olandese Van Wood, Carosone e Gegè ricostituiscono dapprima un quartetto e poi un sestetto.

Nel 1955 inaugura la stagione estiva alla Bussola di Viareggio: arriva il successo. Compaiono sul mercato i primi Long Playing: il primo grande successo commerciale è Maruzzella, con musica di Carosone e testo di Enzo Bonagura. Le successive incisioni, scritte insieme al paroliere Nicola NISA Salerno, come O Sarracino, Torero - tradotto in 12 lingue - Caravan Petrol, Maruzzella - interpretata anche da Anna Magnani - Chella llà e Tu vuo' fa' l'americano, conquistano rapidamente le classifiche di vendita europee e nordamericane.

Comincia una lunga serie di concerti in tutte le principali città d'Europa. Sbarcano anche a Cuba, per inaugurare un tour americano. Dopo Caracas, Rio de Janeiro e San Paolo del Brasile, il 5 gennaio 1957 suonano alla Carnegie hall di New York, tempio della musica d'oltreoceano. Curiosità: laddove si esibisce il pianista napoletano si era già esibito con la sua orchestra nel '38, e si esibirà nel '58, un mostro sacro dello swing come Benny Goodman. Il 7 settembre 1960 Carosone decide di abbandonare le scene e lo annuncia durante lo show televisivo Serata di Gala condotto da Emma Danieli. Nel 1968 su consiglio del figlio Pino, si iscrive a un corso di pittura presso l'Accademia Brera di Milano.

Il 9 agosto 1975 interrompe il silenzio musicale con una reentrée alla Bussola di Viareggio, con una band di 20 elementi. Lo spettacolo ottiene enorme successo e viene ripreso anche dalla televisione. Nei successivi sette anni concede soltanto poche e oculate apparizioni pubbliche. In questo periodo si avvicina alla musica classica. Le rielaborazione dei brani e gli arrangiamenti sono scritti per una sezione ritmica moderna costituita da basso elettrico e batteria, oltre l'immancabile piano. Nel 1982 torna in sala d'incisione: in collaborazione con il produttore Sandrino Aquilani incide il Long Playing Renato Carosone 82, rompendo il silenzio discografico che durava dal 1960. Nel 1989 partecipa al Festival di Sanremo su insistenza del patron della manifestazione Adriano Aragozzini, con il brano 'Na canzucella doce doce, scritta per lui da Claudio Mattone. Nel 1996 riceve il premio Luigi Tenco alla carriera per "il rinnovamento apportato alla canzone napoletana". La canzone Tu vuo' fa' l'americano viene riportata alla ribalta dal film Il talento di Mr.Ripley di Anthony Minghella. In una scena uno scatenato Fiorello la canta insieme al protagonista Jude Law.
Per il classico concerto di fine anno nel 1997 suona in Piazza del Plebiscito a Napoli.

Muore il 20 maggio nella sua casa romana in via Flaminia Vecchia. Sono stati la moglie Lita e il figlio Pino ad accorgersi del decesso. Soffriva da un anno di problemi respiratori.

Di lui il ministro dei Beni Culturali Giovanna Melandri ha detto: ''Con la scomparsa di Carosone la canzone popolare italiana perde uno dei suoi interpreti più conosciuti e singolari. Carosone ha in qualche modo rivoluzionato la canzone napoletana ed italiana ed ha contribuito alla sua diffusione nel mondo con quel modo tutto suo di contaminarla con altri generi come il jazz e lo swing".

Di lui Renzo Arbore ha detto: "La sua opera è destinata a restare nel tempo. Anzi, l'ha già vinta la battaglia del tempo: tutti ne riconoscono la grandezza, anche jazzisti e rockettari di oggi. Come solo i veri artisti riescono a fare, piace a giovani e vecchi, aristocratici e popolani. Ci sentivamo spesso, facevamo progetti, parlavamo di fare qualche impresa insieme. Io gli ricordavo le sue canzoni, strofe, testi che lui non ricordava più. Mi diceva sempre vienimi a trovare".