Winterkorn är en av flera tidigare VW-chefer som anklagas för att ha ingått i en konspiration i syfte att lura kontrollmyndigheter i USA med manipulerade utsläppstestester. USA:s justitieminister Jeff Sessions säger att åtalet visar att "Volkswagens komplott för att kringgå lagar och föreskrifter gick hela vägen upp till företagets topp".
Winterkorn kände till fusket redan i maj 2014, men beslöt att fortsätta med bedrägeriet, enligt USA:s justitiedepartement. Fusket ska ha pågått åtminstone från maj 2006.
Åtalet lämnades in i mars, men offentliggjordes först på torsdagen. En talesperson för åklagarmyndigheten i Detroit säger att Winterkorn inte är gripen.
I rättsprocesser i USA mot ledande namn inom VW har i och med detta totalt nio personer åtalats, två ska ha erkänt sig skyldiga.
Sex av de tidigare VW-cheferna som omfattas av åtal finns i Tyskland och kan inte utlämnas eftersom tyska myndigheter normalt inte utvisar egna medborgare. En italiensk medborgare som befinner sig i Tyskland har begärts utlämnad, enligt talespersonen.
Winterkorn avgick kort efter det att utsläppsskandalen blev känd i september 2015. VW erkände då att man hade installerat mjukvara som förvrängt testresultat av avgaserna från elva miljoner dieselbilar i världen.
Fakta: Volkswagens utsläppsbluff
Skandalen runt Volkswagen uppdagades 2015 när USA:s miljömyndighet upptäckte att bolaget manipulerat mjukvara i ett antal bilmodeller så att de skulle uppvisa bättre resultat i utsläppstester.
Dieselbilarna ska ha "känt av" när de utsatts för tester och då minskat effekten för att klara sig under gränsvärdena för tillåtna gasutsläpp. Under normal körning ska utsläppskontrollen automatiskt ha stängts av.
Utsläppen har beräknats vara upp till 40 gånger större än vad som tillåts. Enligt studier befaras fusket leda till 5000 dödsfall varje år, bara i Europa.