Carl Lumbly commence sa carrière avec un rôle principal dans Cagney et Lacey (1982–1988), mais les amateurs de science-fiction le connaissent surtout pour son interprétation de Marcus Dixon dans Alias (2001–2006) et pour avoir incarné le premier super-héros noir à la télévision dans la série culte MANTIS (1994–1995). Il poursuit ensuite dans l’univers des super-héros en prêtant sa voix à Martian Manhunter dans Justice League (2001–2006), un rôle qu’il reprend dans de nombreux projets animés et jeux vidéo, ainsi que dans la série live Supergirl. Il apparaît également dans des films comme Doctor Sleep (2019) et plus récemment dans Falcon and the Winter Soldier (2021), où il incarne Isaiah Bradley, super-soldat oublié des États-Unis. En 2025, Carl Lumbly retrouve ce rôle dans Captain America: Brave New World, renouant avec le MCU.