Charlotte Lucy Gainsbourg 1971. július 21-én született Londonban, Angliában. Híres művészcsalád leszármazottja, édesanyja az angol színésznő, Jane Birkin, édesapja a francia dalszerző-énekes Serge Gainsbourg.

Az angol-francia színésznő Franciaországban és Svájcban végezte tanulmányait.

Első szerepét Catherine Denevue lányaként kapta a Szó és zene (1985) című filmben, amiért rögtön César-díjat kapott, és a francia filmszakma legünnepeltebb fiatal színésznője lett.

1993-ban már az angol nyelvű A cementkert (1993) című filmben tűnt fel, amelyet nagybátyja, Andrew Birkin rendezett, majd eljátszotta a Jane Eyre (1996) címszerepét.

2000-ben ismét César-díjat kapott a Karácsonyi kavarodás (1999) című filmben nyújtott alakításáért. A nemzetközi hírnevet Inarritu drámája, a 21 gramm (2003) hozta meg számára, melyben Naomi Watts, Sean Penn és Benicio Del Toro oldalán láthattuk. Még ugyanabban az évben főszerepet játszott Gael Garcia Bernal mellett Az álom tudománya (2006) című filmben. 2007-ben szerepet kapott Todd Haynes alkotásában, I'm not there - Bob Dylan életeiben (2007), melyben énektudását is megcsillogtatta.

A 2009-es Lars Von Trier rendezésében bemutatott az Antikrisztus(2009)ban nyújtott alakításáért Cannes-ban átvehette a legjobb színésznőnek járó díjat. A rendező és közte gyümölcsöző szakmai kapcsolat alakult ki, olyan filmeken dolgoztak együtt, mint a Melankólia (2011), (2013) és A nimfomániás 2. rész (2013).

A színésznő a filmezés mellett zenei karrierjére is koncentrál, rendszeresen fellép énekesnőként is.

Gainsbourg párja Yvan Attal francia-izraeli filmrendező, három gyermekük született.