Carmelo fue nombrado junto a LeBron James y Dwyane Wade, capitán del equipo para el Campeonato Mundial de Baloncesto disputado en Japón en 2006, en el que Estados Unidos se llevó la medalla de bronce. En este campeonato, Carmelo batió el récord de puntos anotados por un jugador de Estados Unidos en un partido, con 35 puntos, superando los 34 que consiguió Kenny Anderson en 1990. Anthony fue incluido en el quinteto ideal del torneo junto a Pau Gasol (MVP del torneo), Jorge Garbajosa, Manu Ginobili y Theodoros Papaloukas. Sus números fueron 19,9 puntos, 3,7 rebotes y 1,6 asistencias por encuentro.