Trabzonlu bir ailenin çocuğu olan Batuhan Karadeniz, İstanbul'da doğdu. Babası Beşiktaş'ın eski kalecilerinden Orhan Karadeniz'dir. Futbola İçerenköy İdman Yurdu'nda başladı. İstanbul Şampiyonluğu yaşadı. Daha sonra Beşiktaş'ın seçmelerine katıldı ve kazandı.

Beşiktaş PAF takımında 2007-2008 sezonunda forma giymeye başlayan Batuhan, 11 Ağustos 2007'de PAF takım ile çıktığı ilk maçta Konyaspor PAF'a 4 gol atınca dikkat çekti. O günden sonra zaman zaman Turkcell Süper Lig ve Türkiye Kupası maçlarına çıkmaya başladı. Batuhan, Beşiktaş PAF takımında 86 maçta 226 gol atmıştır. Sezonun 3. haftasında Gaziantepspor'a 90+5'te attığı golle Beşiktaş'a 3 puanı getirirken Turkcell Süper Lig'deki ilk golünü de kaydetmiş oldu. O zaman 16 yaşında olan Batuhan bu golle, Süper Lig'in 50 yıllık tarihinde gol atan en genç futbolcusu oldu.

Aynı sezonun ilk yarısında Christoph Daum'un çalıştırdığı FC Köln'e kiralık verilmek istendi fakat FIFA kurallarına göre 17 yaşını doldurmamış bir futbolcunun yurtdışına kiralanması ya da satılması mümkün olmadığı için Batuhan, Daum'un takımına gidemedi. Sezonda 9 PAF maçına çıkan Batuhan 9 tane de gol attı. A takım ile Avrupa ve Kupa maçları dahil 17 maçta forma giydi ve 2 gol attı.

2008-09 sezonda da A takımda yer almaya devam etti. Beşiktaş, Batuhan'ın sözleşmesini sezon başında 2 yıl (2011-2012 sezonu sonuna kadar) uzattı. Genç Batuhan sezonun ilk golünü 6. haftada Hacettepe'ye attı. Batuhan ayrıca Hacettepe maçından sonra Fatih Terim tarafından ilk defa A Milli takıma çağrıldı. Sezonun ilk yarısında 2 PAF takımı maçında da oynayan Batuhan, ilk maçında Antalyaspor PAF'a 1 gol, ikinci maçındaysa Fenerbahçe PAF'a 3 gol attı.

2008 yılının Aralık ayında İngiliz World Soccer Dergisi, geleceğin 3 yıldız futbolcusu arasında Batuhan'ı da gösterdi. Ancak Ertuğrul Sağlam'ın ayrılışı sonrası yerine gelen Mustafa Denizli'nın oyun planında yer almaması nedeniyle Eskişehirspor'a kiralandı. Burada oynadığı 14 lig maçında 8 gol atarak başarılı bir dönem geçirdi.

2009-10 sezonu için önce Gaziantepspor'a kiralansa da kulüple anlaşamayıp Beşiktaş'a geri döndü. Sakatlığı yüzünden sadece Manchester United ile yapılan maçın son dakikalarında oyuna dahil oldu. Sezonun devamında Beşiktaş A2'de 7 maçta forma giydi ve 7 gol attı.

Mustafa Denizli tarafından kadroda düşünülmeyen Batuhan Karadeniz, 11 Mayıs 2010'da daha önce kiralık oynadığı Eskişehirspor'a 2 Milyon Euro bonservis bedeliyle transfer oldu.

Batuhan Karadeniz, Eskişehirspor formasıyla ilk sezonunda 25 lig maçına çıktı. Bu karşılaşmaların 17'sine ilk 11 de başlayan Batuhan, toplam 1673 dakika görev aldı. 25 karşılaşmada rakip fileleri 7 kez havalandıran Batuhan, 5 sarı ve 1 de kırmızı kart gördü.

Batuhan Karadeniz, Eskişehirspor formasıyla ikinci sezonunda daha çok forma şansı buldu. Karadeniz, 27 lig, 4 Ziraat Türkiye Kupası ve 6 Türkiye Süper Final Avrupa Ligi Grubu olmak üzere toplam 37 karşılaşmaya çıktı. 37 karşılaşmanın 17'sinde ilk 11 de başlayan golcü oyuncu 10 gol atarken toplam 1821 dakika sahada kaldı. Ligde 3, kupada ise 2 kez golle buluşan Batuhan Karadeniz, Süper Final Avrupa Ligi Grubu'nda ise dikkat çeken bir performans sergileyerek oyandığı 6 karşılaşmada 5 kez fileleri havalandırdı. 2011-2012 sezonunda 5 sarı kart gören Batuhan Karadeniz hiç kırmızı kart görmedi.

2012-13 sezonu öncesi Teknik direktör Yanal'ın kendisine hakaret ettiğini öne sürerek antrenmanlara çıkmayan genç futbolcu, St. Johnstone'la oynanacak UEFA Avrupa Ligi 2. ön eleme turu rövanş maçının kadrosuna alınmadı ve Twitter hesabından bir açıklama yapan Batuhan, "Yaşananlar doğru. Perşembe günü oynamıyorum ama vicdanım rahat" ifadelerini kullandı. Çalışmada Batuhan'ın tavırlarına sinirlenen Ersun Yanal'ın, oyuncusuna hakaret etmesi sonucu kadro dışı kaldı ve Batuhan antrenmanlara çıkmama kararı aldı.

14 Ağustos 2012 tarihinde Beşiktaş, Batuhan Karadeniz'i 1 sezonluğuna kiraladı ancak devre arasında siyah beyazlı takımla olan sözleşmesi feshedildi.

14 Haziran 2013 tarihinde Trabzonspor, Batuhan Karadeniz ile 3 yıllık anlaşmaya vardı. Kulübüyle 3 yıllık sözleşme imzalayan Karadeniz; ilk sezonunda 750 bin TL performansa dayalı ve şartlı garanti ücret ile 20 bin 833 TL maç başı ücreti, ikinci sezonunda 600 bin TL performansa dayalı ve şartlı garanti ücret ile 31 bin 250 TL maç başı ücreti, üçüncü sezonunda 720 bin TL performansa dayalı ve şartlı garanti ücret ile 37 bin 500 TL maç başı ücret alacaktır.

Batuhan Karadeniz, Türkiye'yi birçok seviyede temsil etti. 16 Mayıs 2006'da U-15 milli takıma çağırılarak ilk kez Türkiye formasını giydi. Haziran 2006'daki Viktor Bannikov Turnuvası için U-16 takımına yükseldi. 7 Temmuz 2007'de son U-16 maçını oynadı. Ağustos 2006'da ilk kez U-17 oldu. U-16 ve U-17 olarak birçok maça çıktı. 2007 yılında Ege Kupası'nda 5 maçta 5 gol atıp turnuva gol kralı oldu. 9 Eylül 2009'da Avrupa Şampiyonası Elemeleri için tek U-21 maçına çıktı.

11 Ekim 2008 tarihinde Bosna-Hersek maçında ilk 11'de sahaya çıktı ve A Milli oldu. Batuhan Bosna-Hersek maçının 38. dakikasında omzundan sakatlanarak oyundan çıktı.