Formado en las categorías inferiores del Valencia CF desde los 5 años, Carles Gil era una de las perlas con más potencial de la cantera valencianista. Tras participar en algunos amistosos con el primer equipo desde los 16 años, Carles renovó su contrato con el Valencia hasta 2016 en el verano de 2012 y, tras realizar la pretemporada con el primer equipo, fue cedido al Elche a la edad de 19 años para jugar en Segunda División.

En su primera temporada con el club franjiverde, Carles Gil jugó 31 partidos y marcó 4 goles. El equipo finalizó primero, logrando el ascenso a Primera División. Su buen rendimiento provocó que el jugador ampliara su cesión por una temporada más. Carles jugó la temporada 2013-2014 un total de 33 partidos en Primera División, y se estrenó como goleador contra el Celta de Vigo.

En verano de 2014 regresa al Valencia con 21 años. El nuevo técnico Nuno Espírito Santo decidió que se quedara en el primer equipo y, aunque no partía como titular, sí disfrutó de minutos en ocho partidos de Liga. Su debut como titular coincidió con su estreno goleador en la sexta jornada, el 28 de septiembre de 2014, en Anoeta, frente a la Real Sociedad.

Su contrato con el Valencia finalizaba en 2016, y viendo que sus oportunidades eran reducidas y que la oferta de renovación no llegaba, Carles decidió fichar por el Aston Villa inglés en el mercado de invierno, a cambio de unos 4,5 millones de euros. El equipo de Mestalla se guardó una opción de recompra que, sin embargo, no llegó a ejercer. En julio de 2016 firma con el Deportivo de La Coruña en calidad de cedido por dos temporadas.