Hugo Charlemont entstammte einer Künstlerfamilie. Er war der Sohn des Miniaturmalers Matthias Adolf Charlemont und Bruder der Maler Eduard (1848–1906) und Theodor Charlemont (1859–1938). Auch Hugos Tochter Lilly Charlemont (1890-1975) war Künstlerin.
Hugo Charlemont studierte ab 1873 an der Akademie der bildenden Künste und war Schüler von Eduard Peithner von Lichtenfels. Bei Arthur William Unger erlernte er Drucktechnik und die Kunst der Radierung. Später bildete er sich bei seinem Bruder Eduard und bei Hans Makart künstlerisch weiter. Weiters machte er einige Studienreisen in die Niederlande und hielt sich mehrere Jahre in Venedig auf. Hugo Charlemont war Vorbild für den Maler van Helmond in Robert Musils Roman „Der Mann ohne Eigenschaften“. Alice Charlemont, seine ältere Tochter, kehrt im Roman als Clarisse wieder.
Bei seinen Zeitgenossen galt der Künstler als vielseitiges Talent. Er widmete sich den verschiedensten Bildthemen, wie der Landschafts-, Stillleben-, Tier-, Genre- oder Porträtmalerei. Neben Ölbildern schuf er auch zahlreiche Aquarelle und Gouachen. Am bemerkenswertesten erscheinen seine Landschaften, die in impressionistischem Stil gehalten sind. Von den Neuerungen der modernen Kunst ließ sich Charlemont allerdings nicht beeindrucken; er blieb auch im 20. Jahrhundert seinem Stil treu.
Er ruht in einem Ehrengrab auf dem Döblinger Friedhof (Gruppe 23, Reihe 12, Nummer 13) in Wien.
