Gökdeniz Karadeniz, futbol kariyerine Yeniyolspor'da başladıktan sonra, 1995 yılında Trabzonspor'un altyapısına transfer oldu. 1997-98 sezonunda profesyonel kariyerine adım atan Gökdeniz, Trabzonspor'daki performansıyla dikkat çekti.
Bahis operasyonu sonrasında can güvenliği endişesiyle Rubin Kazan'a transfer olan Gökdeniz, 2008 yılında bu Rus kulübüyle 5 yıllık bir kontrata imza attı. Rubin Kazan'da gösterdiği performansla dikkat çeken futbolcu, UEFA Şampiyonlar Ligi'nde Barcelona'yı deviren maçın yıldızı oldu.
Rubin Kazan ile Rusya Şampiyonluğu yaşayan Gökdeniz, bir süre sonra sakatlık yaşadı ve sahalardan 3 ay uzak kaldı. Ancak, 2011-12 sezonunda formunu tekrar bulan Karadeniz, 35 maçta 6 gol 7 asistle takımına katkı sağladı. Bu dönemde Rusya Kupası'nı kazanarak başarılarına bir yenisini ekledi.
2012-13 sezonunda ise Rusya Süper Kupa galibiyeti ve UEFA Avrupa Ligi'nde çeyrek finale çıkma başarısı elde etti. Gökdeniz Karadeniz, futbol kariyerini 2018'de Rubin Kazan ile noktaladı ve numarası emekli edildi.
Gökdeniz, Türkiye Milli Takımı formasını ilk kez 2003 yılında Çek Cumhuriyeti'ne karşı oynanan dostluk maçında giydi. Milli takım kariyerindeki ilk golünü ise aynı yılın Haziran ayında oynanan Makedonya maçında kaydetti. 2003 FIFA Konfederasyonlar Kupası'nda da yer alan Gökdeniz Karadeniz, turnuvada Brezilya ve Fransa'ya attığı gollerle adından söz ettirdi.
