Mit der US-amerikanischen Basketballnationalmannschaft gewann Anthony bei den Olympischen Spielen 2004 die Bronzemedaille. Seit Sommer 2006 ist er Co-Kapitän der Nationalmannschaft. Im WM-Turnier erreichte er seine Bestmarke mit 35 Punkten gegen Italien. Anthony wurde bei diesem Turnier als einziger US-Amerikaner ins "All Tournament Team" berufen.