Figlio d'arte - suo padre Nello era un attore del cinema muto - visse insieme al fratello maggiore Memmo, anch'egli in seguito attore, un'infanzia turbolenta e il carattere ribelle gli varrà, una volta adolescente il riformatorio. Nel 1953 sposa l'attrice e ballerina Luisa Poselli da cui l'anno successivo avrà una figlia (Claretta attrice e regista); la separazione avverrà nel 1964 ed il divorzio verrà ufficializzato soltanto nel 1974. Il suo debutto sul palcoscenico era avvenuto a soli otto anni al Teatro Costanzi di Roma, ma successivamente aveva svolto molti mestieri che con lo spettacolo avevano poco a che fare (attacchino, salumiere). Solo nella seconda metà degli anni quaranta inizia la carriera di attore alla radio. Si dedica quindi anche al teatro di rivista e, nel 1953, è a capo di una sua compagnia. Sempre presente nei film che hanno fatto grande la commedia all'italiana, spesso nel ruolo dell'industriale romano intrallazzatore, Mario Carotenuto interpreta più di cento film, alcuni dei quali pluripremiati, tra cui Pane, amore e... (1955) ove interpreta magistralmente il parroco don Matteo Carotenuto (fratello di Vittorio De Sica) e Lo scopone scientifico ove merita la Maschera d'Argento nel 1972. Presente spesso anche nei musicarelli, ne fece ben nove, mentre negli ultimi anni di attività è il padre di Pierino in vari film con Alvaro Vitali. Anche a teatro la sua carriera è importante. Di rilievo la sua interpretazione del ruolo di Peachum ne L'Opera da tre soldi di Bertolt Brecht, cui seguirono negli anni partecipazioni importanti nei musical di Garinei e Giovannini ma anche nel teatro classico, interpretando Shakespeare, Pirandello e Molière, e brillante, Feydeau e Neil Simon, sino alla fine della sua lunga carriera. Memorabile la sua interpretazione di Shylock nel Mercante di Venezia. Saltuariamente attivo nel doppiaggio è la voce di Mario Conocchia in 8 1/2 di Federico Fellini. Muore all'Aurelia Hospital di Roma dopo una lunga malattia. Dopo la cerimonia funebre la salma di Carotenuto è stata trasferita nel cimitero di Grottammare, la cittadina marchigiana di cui è originaria Gabriella Cottignoli, la seconda moglie dell'attore.