Από μωρό ήταν στα φώτα της δημοσιότητας χάρη στους διάσημους γονείς της Serge Gainsbourg και Jane Birkin. Σε ηλικία 14 χρόνων κέρδισε το πρώτο βραβείο Cesar στην καριέρα της ενώ οι σινεφίλ τη λατρεύουν για δεκάδες ταινίες μεταξύ των οποίων οι "The Little Thief", "Merci la vie", "Love, etc."και "My Wife Is an Actress".
Η Charlotte Lucy Gainsbourg γεννήθηκε τον Ιούλιο του 1971 στο Λονδίνο και μεγάλωσε στο Παρίσι. Με γονείς το γάλλο τραγουδιστή και τραγουδοποιό Serge Gainsbourg και τη βρετανίδα ηθοποιό, μοντέλο και τραγουδίστρια Jane Birkin, της ήταν λίγο δύσκολο να μην ακολουθήσει το δρόμο τους. Το 1984, σε ηλικία δώδεκα χρόνων, εμφανίστηκε στην ταινία "Paroles et musique", στην οποία υποδύθηκε την κόρη της Catherine Deneuve και την ίδια χρονιά τραγούδησε ένα ντουέτο με τον πατέρα της στο album του "Love On The Beat". Το τραγούδι με τίτλο "Lemon Incest" σε συνδυασμό με το video clip στο οποίο εμφανίζεται η Charlotte στο κρεβάτι με τον πατέρα της προκάλεσε πολλές αντιδράσεις...
Το 1986 κέρδισε ένα César Award για την ερμηνεία της στην ταινία "L'effrontée" και την ίδια χρονιά συμπρωταγωνίστησε με τον πατέρα της στο έργο "Charlotte for Ever", το οποίο έγραψε και σκηνοθέτησε ο ίδιος ενώ κυκλοφόρησε το πρώτο της album με τον ίδιο τίτλο. Το 1987 και το 1988 εμφανίστηκε με τη μητέρα της Jane και την ετεροθαλή αδελφή της, Lou Doillon, στο "Le Petit amour" και ως κόρη της μητέρας της στο "Jane B. par Agnès". Την επόμενη χρονιά κέρδισε μια υποψηφιότητα για Cesar Καλύτερης Ηθοποιού για τo ρόλο της Janine Castang στο "La Petite voleuse" ενώ το 1990 πρωταγωνίστησε στην ταινία "Il Sole anche di note" και ακολούθησαν οι "Aux yeux du monde" και "Merci la vie" με το Gérard Depardieu το 1991 και "Amoureuse" το 1992.
Το 1993 τη σκηνοθέτησε ο θείος της, Andrew Birkin, στον πρώτο αγγλόφωνο ρόλο της στην ταινία "The Cement Garden" που υποδύθηκε τον εαυτό της και το 1994 εμφανίστηκε στην κωμωδία "Grosse fatigue" και έκανε το ντεμπούτο της στο Théâtre de la Gaîté-Montparnasse με το έργο του David Mamet, "Oleanna". Το 1996 επέστρεψε στη μεγάλη οθόνη με τις ταινίες "Anna Oz", "Jane Eyre" και "Love, etc", στην οποία για άλλη μια φορά βρέθηκε με το σύντροφο της Yvan Attal και κέρδισε μια υποψηφιότητα για César ενώ ερμήνευσε και το τραγούδι που ακούγεται στους τίτλους της ταινίας.
Το 1997 ήρθε στον κόσμο ο γιος της Ben και το 2002 η ευτυχία της ολοκληρώθηκε με τον ερχομό της Alice. Μετά από απουσία σχεδόν τριών ετών, το 1999 πρωταγωνίστησε στις ταινίες "The Intruder" με τη Nastassja Kinski και "La Bûche", για την οποία βραβεύτηκε με César Award. Το 2000 εμφανίστηκε στην ταινία "Passionnément" και την επόμενη χρονιά υποδύθηκε τη Charlotte στην κωμωδία "My Wife is an Actress", την οποία έγραψε, σκηνοθέτησε και έπαιξε ο σύντροφός της Attal ενώ ήταν μέλος της κριτικής επιτροπής στο Φεστιβάλ Κινηματογράφου των Καννών. Ακολούθησαν οι ταινίες "21 Grams" με τους Sean Penn και Naomi Watts το 2003, "Lemming" με τη Charlotte Rampling και "L'un reste, l'autre part" το 2005, "Prete-moi ta main", "Nuovomondo" και "The Science of Sleep" το 2006, "I'm Not There" με τους Cate Blanchett και Christian Bale το 2007, "The City Of Your Final Destination" το 2008, "Antichrist" το 2009, για την οποία κέρδισε το βραβείο καλύτερης ηθοποιού στο Φεστιβάλ των Καννών, "The Tree" του Lars von Trier το 2010, "Melancholia" επίσης του Lars von Trier το 2011, "Confession of a Child of the Century" το 2012, "Nymphomania" του Trier το 2013 ενώ το 2014 πρωταγωνιστεί στις ταινίες "Jacky in women’s Kingdom", "Everything will be fine", "Samba", "Three Hearts" και "Incompresa."
Σε ό,τι αφορά την καριέρα της στο τραγούδι, το 2006 κυκλοφόρησε το δεύτερο album της με τίτλο "5:55", φτάνοντας στην πρώτη θέση των γαλλικών charts κι ακολούθησαν το "IRM" το 2009, το "Stage Whisper" με ακυκλοφόρητα τραγούδια από το "IRM" και live κομμάτια το 2011 ενώ το 2013 ερμήνευσε τη διασκευή του τραγουδιού "Hey Joe" που ακούγεται στο soundtrack της ταινίας "Nymphomaniac".
