Le gaucher fait ses débuts avec les Reds en comme lanceur partant et effectue 10 départs, remportant 4 décisions contre 5 défaites.
À sa première saison complète en 1989, il est utilisé en relève uniquement et termine avec un dossier victorieux de 8-3 et une bonne moyenne de points mérités de 2,93 en 95 manches et un tiers lancées.
En 1990, il entreprend 16 parties mais apparaît à 40 reprises comme releveur. Il protège deux victoires durant la saison et remet une fiche de 12-9. Il abaisse de plus sa moyenne de points mérités à 2,74.
Durant la saison 1991, sa moyenne n'est que de 2,99 en 108 manches et un tiers lancées. Utilisé comme stoppeur en 1992, Charlton enregistre un sommet personnel de 26 sauvetages et participe au match des étoiles. Après la saison, il est échangé aux Mariners de Seattle en retour du frappeur de puissance Kevin Mitchell, et il préserve 18 victoires pour l'équipe de la Ligue américaine.
Après une saison d'inactivité, Charlton effectue en 1995 un retour dans la Ligue nationale pour les Phillies de Philadelphie, avec qui il a signé comme agent libre. Il perd toutefois cinq de ses sept décisions et sa moyenne s'élève à 7,36. Congédié par le club, il se voit offrir une nouvelle chance à Seattle. Les Mariners lui confient la balle en fin de match, comme c'était le cas deux années plus tôt. Le gaucher s'avère efficace avec 14 sauvetages et une moyenne de points mérités de 1,51 de juillet à octobre. Il aide les Mariners à atteindre les séries éliminatoires pour la première fois de l'histoire de la franchise. Il accorde 2 points en 7 sorties et 13 manches et un tiers lancées en matchs d'après-saison, mais Seattle s'incline devant Cleveland en Série de championnat de la Ligue américaine.
Charlton protège 20, puis 14 victoires, en 1996 et 1997 et blanchit l'adversaire au cours des éliminatoires de 1997.
Après avoir éprouvé des difficultés lors d'une saison 1998 partagée entre les Orioles de Baltimore et les Braves d'Atlanta, il passe une saison chez les Devil Rays de Tampa Bay puis retourne en 2000 là où il avait commencé sa carrière, à Cincinnati, mais ne lance que trois manches.
Il joue sa dernière saison à Seattle, qui lui offre un nouveau contrat comme agent libre. En 44 sorties en relève, il remporte 4 de ses 6 décisions, enregistre un dernier sauvetage, et présente une moyenne de points mérités de 3,02. Les Mariners, tout comme en 1995 et 1997, se rendent en éliminatoires. Charlton blanchit l'adversaire en trois sorties lors de la Série de division et de la Série de championnat.
Il prend sa retraite avec 51 victoires et 97 sauvetages en 605 parties jouées.
Norm Charlton a été instructeur dans l'enclos de relève chez les Mariners de Seattle en 2008, mais son contrat n'a pas été renouvelé, à l'instar des autres instructeurs du club, à la suite de la nomination de Don Wakamatsu comme manager en .
