Figlio d'arte, trascorre un'infanzia turbolenta al fianco del fratello maggiore Memmo, che sarà a sua volta attore. Debutta sul palco a otto anni al Teatro Costanzi di Roma. In seguito, il suo carattere ribelle lo relegherà per tre anni in riformatorio. Verso la seconda metà degli anni '40, dopo aver svolto diversi mestieri (salumiere, cravattaio, attacchino,...), approfitta di una scrittura radiofonica a Firenze per iniziare la carriera d'attore. È protagonista al microfono di trasmissioni come Zig zag e Il rosso e il nero, e interprete di rivista al fianco delle Peter Sisters in Ice Follies, di Rosalia Maggio in Cavalcata a piedi (1952), prima di diventare capocomico in proprio con Occhio per occhio, lente per lente (1953). Non esce da nessuna accademia, ma si forma sui palcoscenici dei teatri minori, affinando le sue doti naturali, la comicità affidata alla mimica, alla voce, al fisico e al confronto continuo con il pubblico. Nel 1951 debutta sullo schermo in Marakatumba, ma non è una rumba, con Renato Rascel. Questo è il primo titolo di una filmografia che arriva a più di cento pellicole (tra il 1958 e il '62 sono oltre trenta), soprattutto del genere comico, nelle quali veste spesso il ruolo del borghese godereccio che perde la testa per avvenenti cameriere e segretarie. Formidabile caratterista dotato di grande personalità, Carotenuto viene chiamato anche da autori importanti, che lo vogliono nei propri film per parti più complesse e drammatiche: con Alberto Lattuada gira La spiaggia (1953), con Dino Risi Poveri ma belli (1956), con Damiano Damiani Girolimoni, il mostro di Roma (1972), con Luigi Comencini Lo scopone scientifico (1972), che gli vale il Nastro d'argento, e con Ettore Scola Il romanzo di un giovane povero (1995). Inaugura la sua epoca d'oro in teatro con il ruolo di Peachum ne L'opera da tre soldi (1956) diretta da Giorgio Strehler. In seguito è lo scanzonato interprete di due commedie musicali di Garinei e Giovannini: Un paio d'ali (1957) e Un trapezio per Lisistrata (1958). Nel 1963 offre la sua prova teatrale più completa, dando vita ad Alfred Doolittle, padre scorbutico e sempre sbronzo della bella Eliza (interpretata da Delia Scala) nella commedia musicale My fair lady. Nel 1966 Giorgio Strehler lo chiama di nuovo al Piccolo Teatro di Milano per affidargli il ruolo di Cromo ne I giganti della montagna, di Luigi Pirandello. Ma il teatro comico lo risucchia con Neil Simon ( Promesse promesse, I ragazzi irresistibili), Feydeau ( Un gatto in tasca) e i classici riadattati da Roberto Lerici nei tardi anni '80 ( L'avaro, Il burbero benefico, Falstaff). Sul teleschermo è presentatore del varietà Un, due, tre (1954) e protagonista di Carosello, come testimonial di un noto marchio di camice. Inoltre prende parte (quasi sempre in parti negative) a sceneggiati come Giocando a golf, una mattina (1969), La fine dell'avventura (1969), I demoni (1972) e Il sospetto (1972). Con il cinema divenuto avaro di occasioni, Carotenuto passa gli ultimi anni a teatro, portando in scena i grandi classici. È sulla scena per l'ultima volta con Il medico per forza di Moliére. Attore dall'umorismo sottile ed elegante, Carotenuto non ha mai soddisfatto pienamente la critica, che gli riconosceva non comuni capacità interpretative ma stemperate in troppi film di modesto valore. Malgrado ciò Mario Carotenuto ha lasciato un bagaglio di caratterizzazioni che potrebbe far vivere di rendita qualsiasi giovane attore.