Fille de Serge Gainsbourg et de Jane Birkin.Avec pour parrain Yul Brynner, Charlotte Gainsbourg apprend très tôt le piano, et songera longtemps à se diriger vers la peinture. Dès l'âge de 12 ans, elle est sur un plateau de cinéma pour Paroles et Musique, dans lequel elle est la fille de Catherine Deneuve. Mais elle se fait connaître par une chanson, Lemon incest, qu'elle interprète en duo avec son père, qui lui écrira par la suite un album entier, Charlotte for ever, titre également d'un film, controversé, qu'il réalise en 1986. Le grand public découvre l'actrice en 1985 dans L' Effrontée, de Claude Miller. Son émouvante composition de jeune fille rebelle et complexée lui vaut le César du Meilleur jeune espoir féminin. Miller lui offre trois ans plus tard un nouveau rôle d'enfant sauvage dans La Petite Voleuse, d'après un scénario de François Truffaut, et elle trouve encore un personnage fort dans Merci la vie de Bertrand Blier. La comédienne impose un talent et une personnalité propres, faisant oublier sa prestigieuse, mais encombrante, ascendance, ce qui ne l'empêche pas de tourner sous la direction de son oncle, Andrew Birkin (Cement Garden en 1993, son premier film en anglais), ou de son beau-père Jacques Doillon (Amoureuse). Pourtant, dans les années 90, Charlotte Gainsbourg est peu sollicitée par un cinéma français qui semble lui reprocher de ne plus être l'adolescente farouche de ses débuts. On signalera cependant la sortie en 1996 de Love etc. et de la coproduction européenne Jane Eyre. Il faudra attendre 1999, et La Bûche de Danièle Thompson, pour que Charlotte Gainsbourg, qui se révèle alors aussi douée pour la comédie que pour le drame, renoue avec le succès populaire. Auréolée d'un Cesar du Meilleur second rôle, l'actrice poursuit dans ce registre léger avec le premier film réalisé par Yvan Attal, Ma femme est une actrice. Regard décalé sur le métier de comédien, le film est aussi la déclaration d'amour d'un réalisateur à sa compagne, rencontrée onze ans plus tôt sur le tournage d'Aux yeux du monde. En 2003, tandis que le couple poursuit sa collaboration avec Ils se marièrent et eurent beaucoup d'enfants, Charlotte Gainsbourg tourne son premier film américain, 21 grammes, dans lequel elle interprète la femme de Sean Penn.
elle tourne en Argentine The Golden door (2006), film d'époque de l'Italien Crialese avant de rejoindre le luxueux casting de I'm not there, évocation de la vie de Dylan par Todd Haynes et d'être dirigée par le Danois provocateur Lars von Trier dans Antichrist, film d'épouvante présenté à Cannes en 2009. Honorée du prestigieux Prix d'Interprétation Féminine pour ce film, l'actrice poursuit dans le registre dramatique, en vivant une relation tortueuse avec Romain Duris dans le troublant Persécution de Patrice Chéreau, avant d'interpréter une mère de famille frêle mais déterminée dans L'Arbre de Julie Bertuccelli.
En 2011, Charlotte retrouve le réalisateur Lars von Trier pour son film Melancholia, une histoire de mariage et de fin de vie sur la Terre, dans lequel elle donne la réplique à Kirsten Dunst. Elle accompagne par la suite les débuts d'acteur du rocker Pete Doherty dans Confession d'un enfant du siècle, l'adaptation de l'oeuvre de Musset par Sylvie Verheyde. L'année suivante, le réalisateur danois fait de nouveau appel à elle pour les polémiques Nymphomaniac - Volume 1 et Volume 2, longs métrages érotico-dramatiques initialement prévus en un seul et même film, mais finalement divisés en deux à la demande des producteurs.
En 2014, elle partage l’affiche de Jacky au royaume des filles, la nouvelle comédie de Riad Sattouf, avec Vincent Lacoste, Michel Hazanavicius, Didier Bourdon, Noémie Lvovsky, Valérie Bonneton ou encore Anémone.
