לאחר עונת הרוקי המוצלחת, נבחר אנתוני לייצג את נבחרת ארצות הברית במסגרת אולימפיאדת אתונה. במסגרת המשחקים האולימפיים, בהם זכתה נבחרתו במדליית הארד, שותף אנתוני בשבעה משמונת משחקי נבחרתו בהם תרם 2.4 נקודות ו-1.6 אסיסטים למשחק. לקראת אליפות העולם בכדורסל שנערכה ביפן בשנת 2006 נבחר אנתוני לשמש כקפטן של נבחרתו, במשותף עם לברון ג'יימס ודוויין וייד. במשחק מול נבחרת איטליה קבע אנתוני את שיא הקליעה האמריקאי באליפויות העולם כאשר קלע 35 נקודות, ועזר לנבחרתו לזכות במדליית הארד.