Figlia del cantautore Serge Gainsbourg e dell’attrice inglese Jane Birkin, Charlotte nasce a Londra e debutta sul grande schermo giovanissima in "Amore e musica" (1984, con Catherine Deneuve), interpretando nello stesso anno il controverso video del padre "Lemon Incest". Con "L'effrontée - Sarà perché ti amo?" (1985, di Claude Miller), vince un César come Migliore promessa, quindi veste di nuovo i panni dell’adolescente ribelle ne "La piccola ladra" (1988) e nella commedia nera "Merci La Vie" (1991), mentre l’anno successivo è tra le protagoniste di "Amoureuse" di Jacques Doillon. Scoperta dal pubblico internazionale grazie al "Jane Eyre" di Franco Zeffirelli, nel 1999 vince un altro César per "Pranzo di Natale" e ottiene il plauso della critica grazie alle sue interpretazioni in "21 grammi" di Alejandro González Iñárritu (2003) e ne "L’arte del sogno" di Michel Gondry.
Nel frattempo si lega sentimentalmente all’attore francese Yvan Attal, da cui ha tre figli e che la dirige in due film quasi autobiografici, "Mia moglie è un’attrice" (2001) e il sequel "Ils se marièrent et eurent beaucoup d’enfants" (2004). Tra i film successivi ricordiamo "Prestami la tua mano" (2006), l’italiano "Nuovomondo" (2006), "Io non sono qui" (2007), "Persécution" (2009, di Patrice Chéreau), fino alla consacrazione con "Antichrist" di von Trier, che le fa vincere la Palma d’Oro a Cannes. Con von Trier gira anche i controversi "Melancholia" (2011) e "Nymphomaniac" (2011), mentre tra i suoi ultimi successi ricordiamo "Tre cuori" (2014, di Benoît Jacquot) e "Samba" (2014, di Eric Toledano e Olivier Nakache).