安东尼的篮球生涯与美国国家队紧密相连，他的表现一直令人瞩目。早在2002年，他就帮助美国队在委内瑞拉举办的世界青年男子篮球锦标赛中夺得铜牌，展示了他的潜力。两年后，他成为美国奥运篮球队的一员，在2004年雅典奥运会上再次获得铜牌，场均贡献2.4分和1.6次助攻。

与2003级选秀的同级生勒布朗·詹姆斯和德恩·韦德一起，安东尼在2006年世锦赛上担任美国队的联合队长。在那次比赛中，他场均得到19.9分、3.7个篮板和1.6次助攻，并入选世锦赛最佳阵容。他在与意大利的比赛中独得35分，创下了美国队在FIBA比赛中的个人得分记录。

由于在世锦赛上的出色表现，安东尼在2007年被选为美国年度男子篮球运动员，并代表美国队参加了2007年美洲锦标赛。他以场均21.2分的成绩排名第二，同时在篮板和助攻方面也有出色表现。

2008年，安东尼与众多NBA巨星一起参加了北京奥运会。美国队场均净胜32.2分，展现了强大的实力。安东尼在与阿根廷的比赛中得到21分，创造了美国奥运比赛命中罚球数和罚球命中率的记录。

四年后，他再次代表美国参加伦敦奥运会。在小组赛对阵尼日利亚的比赛中，他单场投中10记三分球砍下37分，打破了美国男篮队史纪录。

2016年里约奥运会，安东尼再次出征。在8月10日美国队击败澳大利亚队的比赛中，他超越了勒布朗·詹姆斯，成为美国男篮历史上得分最高的球员，总得分达到293分。最终，他帮助美国队蝉联奥运会男篮金牌，为自己的国家队生涯画上了圆满的句号。在夺得金牌后，安东尼宣布退出美国国家队，结束了他辉煌的国家队生涯。