Charlotte Kalla lebt in Östersund und startet für den IFK Tärendö. Im November 2004 wurde sie erstmals international in einem FIS-Rennen eingesetzt. Im Rennen über 5 Kilometer in Gällivare wurde sie auf Anhieb Zweitplatzierte hinter Lina Andersson. Eine Woche später wurde sie über dieselbe Strecke an selber Stelle Vierte. Im Allgemeinen trat sie zu dieser Zeit noch in Juniorenrennen an. 2005 wurde sie schwedische Juniorenmeisterin über 10 Kilometer und Zweitplatzierte über 5 Kilometer und im Sprint. Gegen Ende der Saison gewann sie in Kiruna ihr erstes FIS-Rennen über die 5-Kilometer-Strecke. Die Juniorenrennen dominierte sie fast nach Belieben, platzierte sich selten schlechter als auf dem zweiten Rang. Bei den Juniorenweltmeisterschaften 2006 in Kranj gewann sie Gold im Verfolgungsrennen, Bronze über 5 Kilometer und verpasste eine dritte Medaille als Vierte im Sprint nur knapp. Anschließend gewann sie in Kalix erneut einen nationalen Juniorentitel über 5 Kilometer und Bronze im Sprintrennen. Gegen Ende der Saison wurde Kalla im Sprintrennen von Changchun erstmals im Weltcup eingesetzt, wo sie 14. wurde. Zu Beginn der Saison 2006/07 belegte sie mit Platz sieben im 10-Kilometer-Rennen von Gällivare ihre erste Top-Ten-Platzierung im Weltcup. in diesem Wettbewerb wurde sie nun verstärkt eingesetzt. Mit der Staffel wurde sie im Dezember in La Clusaz Zweite und gewann erstmals im Februar in Davos ein Weltcuprennen. Bei der anschließenden Nordischen Skiweltmeisterschaft 2007 erreichte sie mit einem fünften Platz im 10-Kilometer-Rennen und einem siebten Rang in der Verfolgung beachtliche Ergebnisse. Bei den folgenden Juniorenweltmeisterschaften gewann Kalla Gold über 5 Kilometer sowie in der Verfolgung und Silber hinter Astrid Jacobsen im Sprint.

Zum Auftakt der Saison 2007/08 gewann Kalla mit Britta Norgren den Teamsprint in Düsseldorf. Zudem gewann sie in dieser Saison die Tour de Ski, welche der Saisonhöhepunkt war. Dabei konnte sie auch drei Etappensiege feiern. Nach der Tour de Ski gelangen Kalla jedoch nur noch drei Einzelplatzierungen unter den besten zehn im Weltcup. Für ihre Leistungen wurde sie mit dem von Sveriges Radio vergebenen Radiosportens Jerringpris ausgezeichnet. Der Saisonbeginn 2008/09 in Gällivare verlief wieder erfolgreich für Kalla, als sie das erste Saisonrennen über 10 Kilometer vor Marit Bjørgen gewinnen konnte.

Bei den Olympischen Spielen 2010 in Vancouver gewann sie die Goldmedaille über 10 km Freistil und konnte gemeinsam mit Anna Haag Silber im Team-Sprint gewinnen.