En tant que lycéen, Charlie Ngatai a été scolarisé au Gisborne Boys' High School, où il pratique le rugby et l’athlétisme[2]. Dans le cadre de ce dernier sport, il participe à l'épreuve de 100 mètres du Australian Youth Olympic Festival en 2007, où il finit sixième avec un temps de 11 s 42[2]. Son record sur la discipline est alors de 10 s 9[2].
Charlie Ngatai commence sa carrière de rugbyman professionnel en 2008 avec l'équipe de Poverty Bay en Heartland Championship (deuxième division provinciale néo-zélandaise). Il n'est alors âgé que de 17 ans, et participe activement à l’obtention de la Lochore Cup avec, notamment, un doublé lors de la finale contre Horowhenua-Kapiti[3],[4].
L'année suivante, il rejoint la province de Wellington qui évolue en NPC[5].
En 2011, il fait ses débuts en Super Rugby avec la franchise des Hurricanes[2],[6]. Il joue deux saisons avec la franchise, où il a un temps de jeu limité (onze matchs dont deux titularisations), car concurrencé par les internationaux comme Conrad Smith ou Ma'a Nonu, ce qui le pousse au départ[1],[7].
Il rejoint donc les Chiefs en 2013, en remplacement de l'international Sonny Bill Williams qui est retourné jouer au rugby à XIII avec les Sydney Roosters[8]. Dans sa nouvelle franchise, Ngatai s'impose rapidement comme un cadre et il remporte le Super Rugby dès sa première saison. De même, ses bonnes performances l'ont amené à faire ses débuts au niveau international[9].
En 2013, il change également de province de NPC et rejoint l'équipe de Taranaki à partir de la saison 2014[10].
Le , il subit une grave commotion cérébrale au cours d'un match de Super Rugby contre les Highlanders, qui le prive de rugby pendant un an[11],[12].
En , il est annoncé qu'il rejoindra le club français du Lyon OU en Top 14 à l'issue de la saison 2018 de Super Rugby, et pour une durée de deux saisons[13]. Après quatre saisons dans le Rhône, il quitte l'équipe à la fin de la saison 2021-2022 après avoir disputé 88 matches et inscrits 139 points[1].
En 2012, en vertu de ses origines Māori, il est sélectionné avec les Māori All Blacks dans le cadre de sa tournée en Europe[16]. Il est également appelé pour les tournées 2013, 2014 et 2015. Lors de ces deux dernières, il est nommé capitaine de l'équipe[17],[18].
En , il est sélectionné pour la première fois par Steve Hansen pour évoluer avec les All Blacks[19]. Il connait sa première cape internationale le à l'occasion d'un test-match contre l'équipe des Samoa à Apia[20].
