Родился в семье уральского горняка. Окончил пермскую семинарию (1894) и Санкт-Петербургскую духовную академию (1899). В Санкт-Петербургской духовной академии преподавал историю русской церкви (1900—1905). Позднее преподавал на петербургских Высших женских курсах (1906—1918).
Активный участник Религиозно-Философских собраний в Санкт-Петербурге в 1901—1903 годах. Личный друг и участник религиозной общины, в которую входили Зинаида Гиппиус, Дмитрий Мережковский, Дмитрий Философов, Мариэтта Шагинян.
Активный сотрудник издания «Новый путь», редактировавшегося Д. Мережковским и З. Гиппиус. Печатался под псевдонимом Т. Романский.
В 1912 году Карташёв сблизился с политическими объединениями.
Был членом Великого востока народов России, входил в Верховный совет этой организации с 1905 по 1917 год.
После февраля 1917 года вступил в партию кадетов, входил в состав её ЦК, был одним из лидеров правого крыла. В марте 1917 «либеральный богослов» Карташёв был назначен товарищем обер-прокурора синода.
Работал редактором-издателем газеты «Вестник жизни». Был председателем Религиозно-философского общества в Петербурге (с 1909 по 1917 год).
С 25 марта 1917 года — товарищ обер-прокурора святейшего Синода; с 25 июля 1917 — обер-прокурор синода. Первый министр вероисповеданий Временного правительства (1917).
От имени Временного правительства открыл 15 августа 1917 года Поместный собор Русской Православной Церкви и принял в его работе деятельное участие.
Арестован вместе с другими министрами Временного правительства во время октябрьских событий в ночь с 25 на 26 октября 1917 года. Пребывал в заключении в Петропавловской крепости до начала февраля 1918 года, откуда выпущен под обещание не предпринимать активного противодействия советской власти.
В 1917—1918 годах входил в кружок «Воскресение».
В январе 1919 года выехал из России в Эстонию. В правительстве Юденича занимал пост министра исповеданий.
Был активным деятелем русской эмиграции — занимал должность председателя Русского национального комитета в Финляндии, затем в Париже, член епархиальных собраний и епархиального совета Русского экзархата вселенского престола, участник съездов Русского студенческого христианского движения (РСХД). Вместе с С. П. Мельгуновым был одним из редакторов и идеологов парижского еженедельника «Борьба за Россию».
Преподавал русскую историю на историко-филологическом факультете русского отделения Парижского университета.
Был одним из основателей и профессором Свято-Сергиевского богословского института в Париже (1925—1960). Учениками его являлись: Иван Мейендорф, П. Ковалевский, Александр Шмеман.
Похоронен на кладбище Сент-Женевьев-де-Буа.
Часть редких статей была опубликована в издании «Церковь. История. Россия» (М., 1996).