Charlotte Lucy Gainsbourg s-a nascut pe 21 iulie 1971, in Londra. Desi s-a nascut in Anglia, a crescut in Franta. Este fiica actritei si cantaretei britanice Jane Birkin si a actorului si cantaretului francez Serge Gainsbourg. Bunica din partea mamei, Judy Campbell, a fost de asemenea actrita, iar unchiul sau, Andrew Birkin, este scenarist. Acesta a scris scenariul filmului "The Cement Garden" (1993), in care a jucat Charlotte.
A debutat pe marele ecran in anul 1984, in lungmetrajul "Paroles et musique", unde a aparut alaturi de Catherine Deneuve. Doi ani mai tarziu, a castigat premiul César pentru "Cea mai promitatoare actrita", pentru prestatia sa din filmul "L'effrontée". In 1994 a debutat si in teatru, in piesa "Oleanna", regizata de David Mamet. Rolul care i-a adus celebritatea a fost cel al lui Jane Eyre in filmul cu acelasi nume, regizat de Franco Zeffirelli.
Charlotte compune cantece si chiar a cantat in trei dintre filmele sale. In 1986 a scos primul sau album muzical, "Charlotte for Ever", iar in 2006, un al doilea album, "5:55", care a avut mult succes in Franta. Este casatorita cu actorul si regizorul Yvan Attal. Au doi copii: Benjamin (nascut in 1997) si Alice (nascuta in 2003). Pe 5 septembrie 2007 a fost dusa de urgenta la spital, in Paris; a fost operata pentru a i se stopa o hemoragie cerebrala, cauzata de un accident avut la ski nautic.