Issu d'une famille juive polonaise, Charles Denner arrive à Paris à l'âge de quatre ans.
Durant la Seconde Guerre mondiale, sa famille se réfugie à Brive-la-Gaillarde et est aidée par le rabbin de Brive David Feuerwerker, qui sauve son frère aîné Alfred Denner. Il entre à 16 ans dans la Résistance avec Alfred. Maquisard chasseur alpin du Vercors, il est grièvement blessé à la colonne vertébrale lors de l'embuscade tendue par son groupe à un convoi nazi comprenant un camion de SS qu'il fait exploser à la grenade Gammon. Il recevra la croix de guerre pour ce fait d'armes.
Après la guerre, il s'initie au théâtre en entrant au cours d'art dramatique Charles Dullin. Il y suit des cours le jour et travaille comme fort des Halles la nuit. Après un passage par ce qu'on appelait à l'époque les jeunes compagnies, Charles Denner entre au Palais de Chaillot dans la troupe du Théâtre national populaire dirigée par Jean Vilar. Au Festival d'Avignon, également créé par Jean Vilar, il donne la réplique à Gérard Philipe en 1951 dans Le Prince de Hombourg (von Kleist). Au TNP encore, il joue avec Jeanne Moreau, François Périer, Michel Galabru et bien d'autres comédiens célèbres de cette génération qui firent comme lui leurs débuts dans ce haut lieu de l'art dramatique français.
Plus tard et toujours au TNP alors dirigé par Georges Wilson, il donne aussi une belle vision de son talent dans le rôle de Matti dans Maître Puntila et son valet Matti de Bertolt Brecht, mis en scène et joué par Georges Wilson, avec Judith Magre.
Des années plus tard, il joue un Rogogine magistral en duo avec Philippe Avron dans L'Idiot de Dostoïevski, mis en scène par André Barsacq au Théâtre de l'Atelier.
Après une apparition dans Volpone en 1941, Yves Allégret lui offre une petit rôle au cinéma en 1955, dans La Meilleure Part, suivi deux ans plus tard par Louis Malle dans Ascenseur pour l'échafaud. Claude Chabrol le remarque et lui donne le rôle de Landru après l'avoir vu dans le rôle de composition terrifiant de Gori (Goering) dans La Résistible Ascension d'Arturo Ui de Bertolt Brecht, jouée et mise en scène par Jean Vilar.
Comédien de composition brillant, il sait incarner une grande variété de registres et de personnages qui vont des anarchistes moraux aux petits et grands voyous, des apatrides aux artistes et séducteurs. Il est remarquable dans Landru en 1963. On le voit aussi dans L'Héritier, puis surtout dans L'Homme qui aimait les femmes de François Truffaut pour lequel il vient supplanter un moment le personnage fétiche d'Antoine Doinel.
À partir de 1970, il joue dans cinq films de Claude Lelouch dont le premier est Le Voyou".
Malheureusement, sa santé se dégrade alors qu'il monte pour la dernière fois sur scène pour incarner le Marionnettiste de Lodz de Gilles Segal, mis en scène par Jean-Paul Roussillon. Un one-man show signe la fin de sa carrière en 1986.
Atteint d'un cancer de la gorge, il s'éteint le 10 septembre 1995. Il est inhumé au cimetière de Bagneux.