Charlotte Lucy Gainsbourg przyszła na świat 21 lipca 1971 roku w Londynie (Anglia, Wielka Brytania). Jest córką Serge'a Gainsbourga i Jane Birkin, zaś jej ojciec chrzestny to legendarny aktor Yul Brynner. Charlotte bardzo szybko rozpoczęła naukę gry na pianinie, ale długo rozważała, czy nie zająć się malarstwem. Od 12 roku życia jest obecna na planie filmowym. Jej pierwszą rolą była postać córki Catherine Deneuve w produkcji "Słowa i muzyka". Później dała się skusić muzyce i w ten sposób nagrała w duecie ze swoim ojcem, Sergem, piosenkę "Lemmon incest". Ostatecznie ojciec napisał dla niej cały album - "Charlotte Forever", będący jednocześnie tytułem kontrowersyjnego filmu, zrealizowanego w 1986 roku. Duża publiczność poznała ją w 1985 roku, za sprawą obrazu "Złośnica" Claude'a Millera. Wzruszająca rola młodej, zbuntowanej dziewczyny przyniosła jej Cezara w kategorii najbardziej obiecującego debiutu. Trzy lata później Miller zaproponował jej rolę kolejnego "dzikiego" dziecka w produkcji "Mała złodziejka", na podstawie scenariusza François Truffaut. Również w filmie "Dziękuję ci, życie" Bertranda Bliera wcieliła się w postać silnej bohaterki. Aktorka odznacza się talentem i osobowością, pozwalającą zapomnieć o swoim wyjątkowym, aczkolwiek zawadzającym nieco rodowodzie. Jednak jej samej to nie przeszkodziło, aby wystąpić w filmie swojego wuja, Andrew Birkina - "Cementowym ogrodzie", czy obrazie swojego ojczyma Jacquesa Doillona - "Amoureuse". W latach 90. zagrała w m.in. "Love, etc." oraz koprodukcji europejskiej "Jane Eyre". W 1999 roku wystąpiła w filmie "Gwiazdkowy deser", zrealizowanym przez Danièle Thompson, gdzie aktorka pokazała, że sprawdza się zarówno w rolach dramatycznych, jak i komediowych. Została również nominowana do Cezara. Później kontynuowała pracę przy komediach, takich jak "Moja żona jest aktorką". Film zrealizował Yvan Attal, prywatnie mąż Gainsbourg. Obraz jest także deklaracją miłości reżysera do żony, z którą spotkał się już jedenaście lat wcześniej przy okazji kręcenia filmu "Aux yeux du monde". W 2003 roku Charlotte zagrała w swoim pierwszym, amerykańskim filmie "21 gramów", w którym wcieliła się w żonę postaci granej przez Seana Penna. W 2009 roku zagrała w kontrowersyjnym obrazie Larsa von Triera "Antychryst". Jej rola została nagrodzona Złotą Palmą w Cannes. Kolejny raz współpracowała z twórcą przy okazji "Melancholii", "Nimfomanki - Część I" oraz jej kontynuacji - "Nimfomanka - Część II". Gainsbourg nie stroni również od hollywoodzkich produkcji. W 2016 roku pojawiła się w filmie "Dzień Niepodległości: Odrodzenie".