Fille d'un colonel britannique, Charlotte Rampling a 9 ans lorsque sa famille s'installe à Fontainebleau. Inscrite à l'école communale, elle y apprend le français. De retour en Angleterre, l'adolescente se produit dans des spectacles de music-hall avec sa soeur, puis travaille brièvement comme mannequin. Comme Jane Birkin et Jacqueline Bisset, elle fait ses débuts à l'écran dans le film-phare du swinging London, Le Knack... et comment l'avoir, en 1965, puis tourne dans des comédies à succès tout en prenant des cours d'art dramatique à la Royal Court School. Mais très marquée par le décès brutal de sa soeur, elle décide de quitter la Grande-Bretagne.

Installée en Italie, Charlotte Rampling y fait sa première rencontre marquante, celle de Luchino Visconti, qui la dirige en 1969 dans Les Damnés. La comédienne prouve très tôt qu'elle n'a pas froid aux yeux, passant de l'univers SF de Zardoz (Boorman) à celui, SM, de Portier de nuit, le film qui la révèle au grand public en 1974. Dans ce succès-scandale de Liliana Cavani, elle incarne une rescapée des camps nazis qui entretient une étrange relation avec son ex-bourreau. Se plaisant à explorer à travers ses rôles les zones les plus troubles de l'âme humaine, elle s'éprendra d'un chimpanzé devant la caméra d'Oshima (Max mon amour, 1985). Les Américains ne sont pas insensibles au charme de l'énigmatique Rampling, qui fait fondre Woody Allen (Stardust Memories, 1980), Robert Mitchum (Adieu, ma jolie) et joue les femmes fatales chez Sidney Lumet (Le Verdict).

Ayant élu domicile en France à la fin des années 70, elle y tourne avec Boisset (Un taxi mauve), Lelouch (Viva la vie !) et Deray (le polar On ne meurt que deux fois en 1985). Moins présente sur les écrans dans les années 90, elle livre en 2000 des prestations remarquées dans La Cerisaie (d'après Tchekhov) et le singulier Signs & Wonders de Jonathan Nossiter. L'année suivante, Charlotte Rampling fait un comeback éclatant grace à Sous le sable, portrait d'une femme désemparée après la disparition de son mari, signé François Ozon, cinéaste qu'elle retrouvera ensuite pour Swimming pool et Angel.

En 2001, un César d'honneur vient récompenser l'ensemble de sa carrière, mais loin de s'arrêter en si bon chemin, elle s'illustre aussi bien dans la comédie (Embrassez qui vous voudrez, Désaccord parfait) que dans le thriller (Lemming), le film d'auteur (Vers le sud, 2006) que le divertissement hollywoodien (Basic instinct 2). Actrice sans frontières, elle continue d'afficher une prédilection pur les cinéastes insolents et originaux, de la Française Maïwenn à l'Américain Todd Solondz en passant par l'Espagnol Julio Medem ou le Danois Lars von Trier (Melancholia). En 2011, alors qu'elle tourne sous la direction de son fils Barnaby Southcombe, elle fait l'objet d'un documentaire, The Look présenté à Cannes.