Fratello maggiore di Mario Carotenuto, entrambi figli di Nello Carotenuto, a sua volta noto attore teatrale, e di Corinna Santarnecchi, esordì in teatro ancora bambino nella compagnia dialettale romanesca di cui faceva parte il padre. Entrò nel cinema, interpretando la prima piccola parte, in Vecchia guardia (1935) di Alessandro Blasetti. Proseguì l'attività anche durante la guerra, aderendo alla cinematografia di Salò.

Il primo ruolo importante giunse con l'interpretazione del compagno di stanza d'ospedale del protagonista di Umberto D. (1952), in cui Vittorio De Sica gli diede la possibilità di mettere in mostra il suo talento drammatico, che si perfezionò con gli anni in ruoli di popolano capitolino di sanguigna espressività e grande cuore. Nel 1955 recitò insieme al principe della risata nel film Totò, Peppino e i fuorilegge, interpretando la parte di Ignazio detto il torchio. Nel 1956 la sua interpretazione di Quirino, comprimario di Marcello Mastroianni nel film Il bigamo di Luciano Emmer, gli valse un Nastro d'argento. Nel 1953 affiancò Valentina Cortese e Giulietta Masina in Donne proibite.

Degna di nota la sua parte ne I soliti ignoti (1958) di Mario Monicelli, nel quale interpretò il galeotto Cosimo, cui Peppe er Pantera (Vittorio Gassman) soffia il piano del fatidico colpo al Monte di Pietà che finisce a pasta e ceci. In Poveri ma belli (1956) e Belle ma povere (1957), entrambi di Dino Risi, è il tranviere compagno di stanza di Renato Salvatori; in Padri e figli di Mario Monicelli (1957), è invece un amorevole ma collerico padre alle prese con una numerosa prole; infine, in Pane, amore e fantasia (1953) e Pane, amore e gelosia (1954), entrambi di Luigi Comencini, ha la parte del carabiniere Baiocchi, spalla di De Sica. Nel 1956 affiancò Alberto Sordi in Mio figlio Nerone.

Nel 1965 Memmo Carotenuto con Carlo Romano partecipò a una serie di sketch della rubrica pubblicitaria Carosello che pubblicizzavano le polveri per acqua frizzante Idrolitina della Gazzoni. Negli anni settanta le sue apparizioni cinematografiche furono prevalentemente in film con Franco Franchi e Ciccio Ingrassia o con Enrico Montesano. Pochi mesi prima di morire girò il suo ultimo film, per la regia di Salvatore Samperi, dal titolo Un amore in prima classe (1980). Memmo Carotenuto è morto a Roma il 23 dicembre 1980, colpito da infarto, all'età di 72 anni. Riposa accanto alla moglie nel cimitero Flaminio a Roma.