Como membro da Equipe Nacional dos EUA, Anthony ganhou uma medalha de bronze nos Jogos Olímpicos de 2004, e medalhas de ouro nos jogos de 2008, 2012 e 2016. Ele também ganhou uma medalha de bronze no Campeonato Mundial de 2006 e uma medalha de ouro na Copa América de 2007. Em 2 de agosto de 2012, Anthony quebrou o recorde de pontos em um único jogo da Seleção dos Estados Unidos em Olimpíadas, quando marcou 37 pontos contra a Nigéria. Nos Jogos Olímpicos de 2016 no Rio de Janeiro, ele tornou-se o primeiro jogador de basquete a conquistar três medalhas de ouro olímpicas. Após a celebração, Anthony anunciou sua aposentadoria da Seleção Americana. Ele é o recordista da seleção em pontos, rebotes e jogos disputados.